扫一扫下载界面新闻APP

【视频】为了看到黑洞,我们“造”了个地球那么大的望远镜

EHT的“八大金刚”(望远镜)当中,位于夏威夷的一台望远镜JCMT是我们中国大陆出钱出力运营的,这是一个非常了不起的贡献。

文|造就

左文文

中科院上海天文台团委书记

“看见”黑洞,一直是人类的梦想。

今天我就给大家讲一个关于黑洞的故事。我想告诉大家:

我们为什么要拍一张黑洞的照片?

我们是怎样拍摄它的?未来,我们还有怎样的期待?

为什么要给黑洞拍照?

大家可能知道,这张照片拍摄的,其实是5500万光年之外一个长得像橄榄球一样的星系中心的超大质量黑洞。它的质量是太阳质量的62亿倍。

我们知道,在宇宙中的每一个大质量星系里,也包括我们的银河系,都存在着一个超大质量的黑洞。

我们已经通过一些间接的方法去判断它们的存在,就好像我们看不到风,但是可以看到风吹动落叶、旗帜,来判断风的存在。

类似的,我们也已经通过一些方法间接地判断黑洞是存在的,比如说观察它周围的恒星气体发出的光,或者是两个黑洞打架产生的引力波。

可是,我们还不满足。人类的好奇心和探索欲,驱使着我们想要知道:

黑洞——它究竟长什么样子?

我可不可以更直接地去看到黑洞?

这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。

给黑洞拍照,究竟有多难?

黑洞,它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中,气体是转动着下落的,就像我们打开洗脸池的出水口,你会发现池子里的水是一边转一边往下流动的。

黑洞也一样,周围的气体,一边旋转一边向黑洞中心掉落,最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带,我们称之为吸积盘。

还有一些气体没有被吸进去,这些气体很可能会向外喷射出去,产生喷流。

那么这时候大家会意识到,黑洞其实并不真的是全黑的,在黑洞的周围,有吸积盘、喷流,这些物质都会产生光。

可是,在黑洞视界附近,引力非常强,以至于将光线都弯曲了。

可以想象一下,本来光子都是直线传播的,可是到了黑洞附近,不好意思,它能让你跑的路线都变弯了,还能让你围着黑洞绕圈圈,进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗,所以称作阴影。

这个光环的半径有多大呢?我们来看一下这张图。

左侧的图是我们观测得到的,中间那张图是经过数值模拟的结果,。

大家会发现,观测到的好像也没有那么很高清。理论模拟告诉我们,在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域,会形成一个光环。所谓黑洞的半径,大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。

换算成数值的话有多大呢?如果我们把太阳压缩成一个史瓦西黑洞,它的势力范围(半径)就是3000米,也就是3000米内的光线都不能逃出去。

在我们自己的银河系中心,有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。大家可以算一下,一个太阳质量的黑洞,势力范围是3000米,那如果是400万个太阳质量的黑洞,势力范围就是1200万千米。

用上面提到的2.5倍系数换算一下,就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。光环很大,听起来好像不难拍,但是如果我告诉你它距离我们有多远呢?

26000光年。

26000光年相当于是250亿亿千米,这么远的距离想拍到一个直径7000多万千米的环有多困难呢?

我们小时候都用过量角器,满月时从地球上观测月亮的大小,大约是量角器上的0.5度那么大。

如果从地球去观测这个黑洞的话,它的光环大小,大概只有量角器上的一亿分之一度那么大。

你们可以想象它有多么多么小了,这样的情况下,我们该如何拍到它?

其实,我们人类的眼睛就是一个小型望远镜,只是我们看东西用的是可见光波段。而可见光波段的波长,大概是6000埃(1埃=0.1纳米),换成长度相当于是600纳米。

如果我们在可见光波段去观测这个黑洞,望远镜的口径需要造到6千米那么大;

如果用红外波段去观测黑洞,望远镜口径得造到15千米;

如果用毫米波去观测,望远镜要造到1万千米那么大;

用米波的话,望远镜得造到1000倍的地球那么大……

这么大的望远镜,能造出来吗?

事实上,目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜,也就十米那么大,从十米跳跃到六千米,可不是通过努力就可以实现的飞跃。

但是如果用毫米波观测呢?地球那么大的单个望远镜造不出来,但我们有一种技术,叫做VLBI——甚长干涉测量技术。

这种技术的原理是这样的:假设地球上有四台望远镜,东南西北四个方向,我们共同构成了一个网络,这时候我们共同构成的这个等效望远镜,它的等效口径,相当于最远的两台望远镜之间的距离。

这样的话,如果我能够在夏威夷这个位置装个望远镜,在南极再装个望远镜,我的口径是不是就很接近地球的直径了?

通过这样的技术,我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起,在全球六个地点,八个台站,构成了一个EHT的网络,也就是事件视界望远镜网络。

我们去对两个黑洞的模特进行拍照,一个是自己老家银河系的黑洞,还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。

2017年我们共同进行了拍照,花了十天的时间,获得了海量的数据。

这个数据有多大?

对于M87,我们使用了来自七个天文台差不多是五天的数据,大小有3500T。

1T是1000个G,我们平常看的高清电影,最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影,从早看到晚,一个人要300年才能把这些数据全都看完。

如此大的数据量,再把不同的望远镜的数据进行时间延迟的修正等等相关处理、分析。即使有如此强力的超级计算机、如此高效的算法,我们依然花了近两年的时间,才完成了数据处理。

直到2019年4月10号,这张黑洞的照片,终于发布出来了!

用科学的方法打开这张黑洞照片

接下来我告诉大家如何去解读这张照片。

首先,我要告诉大家的是,这张照片的颜色——不重要。如果你喜欢用蓝色、绿色,都可以。

那什么最重要呢?

没错,就是这张照片上的亮度。亮度反映的是,黑洞在毫米波这个波段,不同空间区域它的亮度分布。

首先你能在照片上看到一个环,它的南部好像更亮,也就是它有不对称性。

为什么会不对称呢?

假设这个环是正对着我们,我们会觉得上面和下面应该是一样亮的。但是,如果黑洞光环下面的部分偏向我们一点,那么下面就会看起来更亮一些。它的形成原理是多普勒效应。

现在我们看到的是M87星系中心的黑洞,未来的话我们还能看到银河系中心的黑洞。而这样一些照片背后,是一个莫大的团组,由200多名科学家组成。

这其中,来自中国大陆的科学家有16位,他们在参与EHT合作之前,已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作上有了诸多积累。

从前期的国际合作的推动,到望远镜使用时间的申请、去四千米海拔的望远镜场地进行现场观测,再到数据的相关处理、分析,后期论文的写作,全程都有中国学家的身影。

最重要的是,EHT的“八大金刚”(望远镜)当中,位于夏威夷的一台望远镜JCMT是我们中国大陆出钱出力运营的,这是一个非常了不起的贡献。未来我们还在期待银河系中心黑洞的照片诞生。

对这些黑洞照片的研究,对它背后数据的研究,能让我们更好地了解黑洞、引力,甚至于整个宇宙。

希望大家能够因此明白,黑洞不是科幻小说里虚构出来的。黑洞,不黑。

智力支持:共青团上海科学技术工作委员会

文字 | 李莹;校对 | 其奇

未经正式授权严禁转载本文,侵权必究。
表情
您至少需输入5个字

评论 0

相关文章