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从科学的角度告诉你,黑洞照片是这样拍出来的

2019年04月19日 海洋宇宙
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事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)拍摄到了M87星系中心巨大黑洞的阴影。环形明亮部分的光环尺寸相当于从地球上看月球表面放置的棒球时的尺寸。该黑洞距离地球5500万光年,质量达到太阳的65亿倍。

从科学的角度告诉你 黑洞照片是这样拍出来的

M87星系中心的巨大黑洞阴影。(Credit: EHT Collaboration)

事件视界望远镜是一个国际合作项目,组合了地球上的8台射电望远镜,目的是拍摄黑洞图像。2019年4月10日,研究小组在全球6个地区同时举行记者发布会,宣布首次通过图像直接证明了巨大黑洞及其影子的存在。事件视界望远镜项目把全球各地的射电望远镜结合起来,创造了一个拥有超高灵敏度和分辨率、尺寸与地球差不多大的虚拟望远镜。

事件视界望远镜的负责人谢帕德·多勒曼(Sheperd Doeleman、 哈佛-史密森天体物理中心)说:“人类终于第一次捕捉到了黑洞的模样。应该说这是200多名研究人员组成的团队共同取得的伟大科学成就”。

黑洞虽然质量巨大,但在宇宙中则是一个非常小的特殊天体,完全黑暗,连光也无法逃脱其引力范围。黑洞的存在扭曲了其周围的时空,周围的物质被剧烈加热。

黑洞阴影可以说是视觉上最接近黑洞的理论极限。黑洞的表面被称为“事件视界(Event Horizon)”,尺寸比黑洞阴影小2.5倍。以M87中心的巨大黑洞为例,其事件视界的尺寸约为400亿公里。

荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克(Heino Falcke)说:“如果黑洞周围有发光气体那样的明亮物质,那么黑洞看起来应该像‘阴影’一样暗。这是可以根据爱因斯坦的广义相对论推断出来的,不过人类以前从未直接见过”。他解释说:“黑洞的引力使得光被弯曲或捕获,由此形成黑洞阴影。对其进行调查的话,可以了解黑洞这种魅力天体的很多性质,还能测量黑洞的质量”。

从科学的角度告诉你 黑洞照片是这样拍出来的

(上)黑洞周围的光的轨迹模式图。当光与黑洞的距离近到一定程度时,就会被黑洞的引力捕获,围绕着黑洞旋转并最终被黑洞吸入。在比这个距离更远一些的位置通过的光线,其行进方向会被弯曲,因此本来不会到达地球的光也能到达地球。
(下)射向地球的光路的斜视图。可以看出,在内侧的一定范围内,光线不会射过来。这就是黑洞阴影。(Credit: Nicolle R. Fuller/NSF)

研究小组通过使用多种数据校准和成像方法,在明亮的光环中生成了黑暗区域。这就是黑洞阴影。即使利用事件视界望远镜反复观测,这个阴影的存在也是确定无疑的。

东亚天文台台长贺曾朴(Paul Ho)表示:“在确信可以显示黑洞阴影后,我们将模拟结果与这张图像进行了比较。模拟时结合了黑洞周围的时空扭曲、超高温气体及磁场等多种效果。观测所得的图像与理论预测惊人地一致。这使得我们对黑洞质量的推测以及合成的黑洞图像的意义都充满了信心”。

为实现事件视界望远镜,需要对以下8台望远镜进行改良并将其结合在一起,这8台望远镜分别是阿塔卡马探路者实验望远镜(APEX,智利)、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜(ALMA,智利)、IRAM30m毫米波望远镜(西班牙)、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜(美国夏威夷)、阿尔方索·塞拉诺大型毫米波望远镜(墨西哥)、亚毫米波阵列望远镜(美国夏威夷)、亚毫米波望远镜(美国亚利桑那)及南极望远镜(南极),这项工作本身就是一个挑战。望远镜的设置地点包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州和西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极站。虽然这些场所都是观测条件良好的地点,但对人类来说,环境非常恶劣。

事件视界望远镜采用名为甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry: VLBI)原理。通过使设置在全球各地的望远镜同步,并利用地球的自转,构成了一个尺寸与地球差不多大的望远镜。此次,事件视界望远镜观测的是波长为1.3mm的电波。通过采用VLBI,事件视界望远镜实现了20微角秒的极高分辨率。换算成人类的视力值,相当于300万,能在地球上看到月球表面放置的高尔夫球。

望远镜获得的原始数据合计高达数PB,利用设置在德国马克斯·普朗克射电天文研究所和美国麻省理工学院海斯塔克天文台的专用超级计算机进行了处理。(日文发布全文

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参与观测的望远镜设置地点。(Credit: NRAO/AUI/NSF)

文:JST客观日本编辑部

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