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人类首张黑洞照片公布,为何“冲洗”了两年?

4月10日晚9点,全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜”项目发布了世界上首张黑洞图像,证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

2019年4月10日,在上海,EHT项目和中国科学院共同发布人类史上首张黑洞照片。图片来源:视觉中国

实习记者 | 何香奕、吴自杰

2019年4月10日晚9点,全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜”项目在全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同步举行新闻发布会,发布了世界上首张黑洞图像,证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

自上世纪中期开始,人们就一直在探寻黑洞的秘密。界面新闻查找资料发现,200多年前,英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出: 一个质量足够大但体积足够小的恒星会产生强大的引力,以致连光线都不能从其表面逃走,因此这颗星是完全“黑”的。

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”却可以。

科学家们将光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的区域称作黑洞,将其边界称作事件视界。

2006年,“事件视界望远镜”项目启动。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),正式开启观测人马座A*和M87黑洞。

据悉,事件视界望远镜(event horizon telescope,EHT)是一个通过国际合作而实现的、由八个地面射电望远镜组成的观测阵列,形成了一个口径等于地球直径的“虚拟望远镜”,以此捕获黑洞图像。

上海天文台研究员路如森和左文文撰写文章介绍,EHT采用了“甚长基线干涉测量”(VLBI)的技术,VLBI通常可以在射电波段对天空进行高分辨率成像观测,分辨能力远超所有光学望远镜。天文学家利用位于地球不同位置的射电望远镜同时对同一目标进行观测,将采集到的数据分别记录在硬盘上,之后再利用超级计算机整合这些数据,得到一张图像。

本次观测银河系中心黑洞的事件视界望远镜由8个射电望远镜组成,它们分别是:南极望远镜(SPT)、智利的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)、智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(APEX)、墨西哥的大型毫米波望远镜(LMT)、美国亚利桑那州的亚毫米望远镜(SMT)、美国夏威夷的亚毫米望远镜(SMA)、美国夏威夷的麦克斯韦望远镜(JCMT),以及西班牙射电天文台的30米口径毫米波望远镜(IRAM)。

上海交通大学物理与天文学院特别研究员祖颖告诉界面新闻,“想要提高天文观测的分辨率,就必须提升望远镜的直径”。事件视界望远镜联合了世界各地的射电望远镜,使得相隔数十公里的独立望远镜能够相互协调、同时观测同一目标并记录数据,形成了一个口径等于地球直径的“虚拟望远镜”。

EHT项目此次公布的图像来自M87黑洞。据资料显示,M87是位于室女座方向的一个巨椭圆星系,距离地球约5500万光年,是首个被认证出喷流的星系。M87中心有一个超大质量黑洞(现在按银心黑洞的命名习惯被称为M87*),其质量约为65亿倍太阳质量。这个黑洞虽比Sgr A* 质量大1500倍,但是距离也远了2000多倍,因此它看起来要比银心黑洞略小——其史瓦西半径约为7.6微角秒,黑洞阴影的大小相应为37-40微角秒。

中科院国家天文台研究员、国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人苟利军介绍,选择M87的重要原因是,太阳系处在银河系的银盘上,在天文学家试图利用视界面望远镜探测来自于黑洞周围的辐射或光子的时候,这些光子会受到传播路径上星际气体的影响——气体会散射这些光子,将观测结果模糊化,而M87是一个包含气体很少的椭圆星系,受到的气体干扰相对少很多,科学家们可以比较顺利地进行观测。

早在2017年4月,“事件视界望远镜”就启动对黑洞拍照,但“冲洗”用了约两年时间。

祖颖表示,观测黑洞实际上应该仅用了5天左右,但由于观测到的黑洞数据量巨大,世界各地的望远镜的数据无法通过网络来传输数据,“只能靠人带着一千多个硬盘飞来飞去,对数据进行汇总之后再作分析,耗费了大量时间”。

据公开资料显示,在2017年4月份的观测中,每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据(相当于350万部电影)。

另外,EHT采用专用硬盘来记录数据,再把硬盘送回数据中心进行处理。之后,研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据做互相关综合处理,从而达到信号相干的目的。

祖颖还特别提到了参与EHT项目的“南极望远镜”。他称,由于在南极有极昼极夜现象,如果刚好遇到极昼现象,那至少会有半年时间飞机无法航行,就无法把“南极望远镜”的数据运输出来。

“这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据,证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。”参与国际合作的中方科学家、中国科学院上海天文台台长沈志强接受媒体采访时表示。

苟利军告诉界面新闻,这不仅验证了爱因斯坦的广义相对论,也是首次看到黑洞的核心区域,与之相关的很多问题在未来都可以随之得到解决。他举例道,包括物体是如何掉进黑洞的,与黑洞相关的喷流是如何产生的等问题,都可以有望得到解决。

对于“事件视界望远镜”项目选择在上海召开发布会,祖颖表示,上海是一个很有意义的地方,“选在上海说明EHT国际对我们国家近几年来在天文事业方面的发展表示了肯定,也代表我们中科院和整个科学界对这个事件的肯定和支持,以后也希望中国能更多的参与到国际科研项目中去”。

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