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拍下黑洞的“事件视界望远镜”究竟是什么?一颗旋转的迪斯科球

将世界各地的望远镜连接起来,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜,每一个望远镜通过原子钟准确相连,同时启动,就可以还原数万光年以外,一个未知天体在某一时刻的真实容貌。

“事件视界望远镜”中的南极望远镜。图片来源:South Pole Telescope

记者 | 潘金花

北京时间4月10日21点,全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜”项目向世界公布了人类有史以来获得的第一张宇宙黑洞照片。

据介绍,此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。通过研究这个图像,人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。

1915年,爱因斯坦在广义相对论中最先预言了黑洞的存在。在他的推论中,黑洞是一种质量巨大、引力极强的天体,可以吸收周围一切外来物质和辐射,连人类已知传播速度最快的光都无法逃脱。理论上,黑洞无法被观察,但黑洞的阴影——“事件视界(event horizon)”却可以。

这是因为物质与辐射经过黑洞时,会坍缩入黑洞内部密度趋于无限的“奇点”(singularity),受引力影响,这些弥散物质会在黑洞周围形成一个“吸积盘”,它们的明亮衬托会给黑洞留下一个圆形的暗影,而处于明暗之间的时空区隔界线便是“事件视界”。

1978年,法国天文学家卢米涅模拟出了黑洞“事件视界”的第一幅图像,在这之后,人类在《星际迷航》、《星际穿越》等无数影视作品中对这一神秘天体进行了无限的想象。2015年,人类首次探测到了产生自双黑洞的引力波信号,在开创了天文学新纪元的同时,也让人迫不及待地想看到黑洞的真容。

电影《星际穿越》中的黑洞 图片来源:Wired

根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分为三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和介于两者之间的中等质量黑洞。天文学家认为,所有星系的中心都存在着超大质量黑洞,银河系也不例外——人马座A*便位于距离地球2.6万光年的银河系中央,是已知离地球最近的超大质量黑洞,也是我们的最佳观测目标。

但这个“最近”的黑洞离地球仍十分遥远。从地球上看,人马座A*大概与月球上的一个橘子一样大,由于衍射现象,我们能看到的最小物体是有限制的,想看到的东西越小,需要的望远镜就越大,如果想看到人马座A*,我们需要的望远镜要和地球一样大。

人马座A*超大质量黑洞X射线耀斑 图片来源:NASA

这可能吗?科学家用“事件视界望远镜”给出了肯定的答案。

当然,建造一个和地球一样大的望远镜是不可能的,但通过“甚长基线干涉技术(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)”,我们可以将世界各地的望远镜连接起来,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜,每一个望远镜通过原子钟准确相连,同时启动,就可以还原数万光年以外,一个未知天体在某一时刻的真实容貌。

2006年,“事件视界望远镜”启动并记录下了第一组天文数据,当时,有三座望远镜使用VLBI技术进行连线观测。随着科学目标、技术计划和组织架构的确立,“事件视界望远镜”项目如今已发展为一个来自12个国家的30多所大学、天文观测站等研究单位与政府机构参与的国际合作组织。

2017年4月,来自全球30多个研究所的200多位科学家利用分布于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的8个射电望远镜(单镜及阵列),正式开始勾勒人马座A*的模样。同时被观测的还有距离地球5500万光年、位于室女A星系的M87黑洞。M87估计拥有64亿倍太阳质量,因此从地球上看只比人马座A*小一些。

“事件视界望远镜”

不过,给黑洞“拍照片”不易,“洗照片”更不易。

粗略计算,一次普通的五天观测期间,每座望远镜会收集900TB的数据,可装满1000至2000个硬盘,所有望远镜产生的数据达7PB(约7200TB)。为运送如此庞大的数据,该项目启用了最直接的传输方法——飞机空运。所有硬盘都运至美国马萨诸塞州的麻省理工学院海斯塔克天文台,以及德国波恩的马克斯·普朗克电波天文研究所,交给超级计算机集成处理。

“洗照片”难就难在如何将这8只“眼睛”看到的景象合为一张图像。我们可以将地球大小的望远镜想象成一颗巨大的迪斯科球,每一面镜子收集光线,就可以组合成一幅完整的图像。但由于目前通过VLBI技术接入的望远镜数量有限,“事件视界望远镜”只相当于一颗由数面镜子组成的迪斯科球,必须通过缜密的算法填满空缺的部分,才有可能合成一张黑洞的图像。

地球大小的望远镜可想象成一颗巨大的迪斯科球 图片来源:TED

好在,随着地球的持续旋转,每一面镜子都会改变位置,收集到新的信息。

事实证明,今晚我们得到的第一张黑洞照片并不像《星际穿越》里的那样清晰与璀璨,但它无疑将在广义相对论提出100多年后的今天,让人类向着探索宇宙奥秘又更进了一步。

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