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黑洞照片是怎么拍成的?中國參與者解密

日期:2019-04-17 【 來源 : 新民周刊 】 閱讀數:0
閱讀提示:為了各國科學家工作的方便,路如森說,自己經常是在晚上和美國、歐洲的同行開視頻工作會議,一覺醒來,郵箱里又常常是幾十封待處理郵件。
作者|陳 冰

  揭開“黑洞”神秘面紗的那一刻,中國科學院上海天文臺研究員、ETH國際合作成員路如森激動得有些哽咽。“當你想象中的東西第一次真實地出現在眼前時,真有一種美夢成真的感覺。”他在發布會后如是說。

  仰望星空,遙遠的“黑洞”從未像今天這樣觸手可及——世界各國科學家聯手“捕獲”黑洞影像,并以一種“天涯共此時”的奇妙方式聯袂公布,愛因斯坦廣義相對論最后一塊缺失的拼圖被找到了!

  從觀測到發布,全球200多位科學家歷時兩年才“沖洗”出這張“高糊”的照片,人們不禁要問,這張“興師動眾”的照片究竟是怎么拍出來的?已經參與此項目近8年的路如森,作為親歷者,向《新民周刊》揭開了“黑洞”成像的不凡歷程。


看不見的黑洞怎么“看”?


  一百多年前,愛因斯坦提出廣義相對論,將時間和空間結合為一個四維的時空,并提出引力可視為時空的扭曲。這一理論做出了不少重要預言,其中之一便是:當一個物體的質量不斷塌縮,就能隱蔽在事件視界(event horizon) 之內——在這一黑洞的“勢力范圍”內,引力強大到連光都無法逃脫。

  天文學家普遍相信黑洞確實存在于宇宙之中,并根據質量將宇宙中的黑洞分為恒星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于兩者之間)三類。

  然而直到上世紀60年代,科學家對黑洞都還只能是“說說而已”。畢竟登山家們勇攀高峰的原因是“山就在那里”,可是,天文學家們根本看不到黑洞,他們又怎么能確定“黑洞就在那里”呢?

  黑洞自身不發光,難以直接探測,而且黑洞距離地球非常遙遠,以往的天文觀測設備根本看不到黑洞。科學家們只能夠“曲線救國”,采用一些間接方式來證明黑洞的存在——比如周圍恒星運動、吸積盤、噴流乃至引力波等等。

  在某些時候,恒星級黑洞(從3個太陽質量到100個太陽質量大小)會將恒星的氣體撕扯到它自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,即吸積盤。當吸積氣體過多,一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成噴流。

  吸積盤和噴流兩種現象都因氣體摩擦而產生了明亮的光與大量輻射,所以很容易被科學家探測到,黑洞的藏身之處也就暴露了。

  不過,理論很豐滿,現實很骨感。

  以我們的銀河系為例,根據理論推算,銀河系中應該存在著上千萬個恒星量級的黑洞,可到目前為止,我們只確認了20多個黑洞的存在,此外還有四五十個黑洞候選體。

  要最終真正確認一個天體是否為黑洞,我們還需要做出更多測量與計算。要探測一個從幾十萬個太陽質量到幾十億甚至上百億個太陽質量的超大質量黑洞,挑戰就更大了。

  所以即使在探測到引力波、從而權威性地證明黑洞存在的今天,人類還是沒有直接看到能夠揭秘極端條件下時空秘密的那個“洞”——“黑洞事件視界”。

  路如森在接受《新民周刊》說,這或許正是黑洞本身的迷人之處所造成的——黑洞的致密程度讓人難以想象!如果把地球壓縮成一個黑洞,它的大小和一個湯圓差不多;而一個位于距離地球1kpc(約3262光年)處,10倍于太陽質量的恒星級黑洞,其事件視界的角直徑大小只有0.4納角秒。這比哈勃望遠鏡的分辨率的億分之一還要小,任何現有的天文觀測手段都沒有這樣的分辨本領!

  不過,在沒能一睹黑洞真容的歲月里,科學家們還是通過計算了解到了黑洞的“樣貌”。

  上世紀70年代,科學家們計算出了黑洞的圖像。90年代后期,Heino Falcke等人針對銀河系中心黑洞的情況做了詳細計算,并引入了黑洞陰影的說法。他們同時指出,該黑洞陰影若是“鑲嵌”在周圍明亮的、光學薄(即對某一觀測波長透明)的熱氣體中,就可以被(亞)毫米波甚長基線干涉測量技術(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)“看到”。這一說法,為科學家們日后聯網望遠鏡觀測打開了一扇窗。


全球望遠鏡怎么連起來?


  早在2017年進行全球聯網觀測之前,全球很多科學家已經為此努力了十多年的時間。2006年,“事件視界望遠鏡”啟動并記錄下了第一組天文數據,當時,有三座望遠鏡使用VLBI技術進行連線觀測。

  隨后,科學家們通過對銀河系中心黑洞和M87黑洞的觀測,確實在亞毫米波段探測到了黑洞邊緣處輻射的結構。

  “這給了我們很大的信心。”路如森對《新民周刊》表示,在此之前,盡管科學家們已經掌握了很多證明黑洞確實存在的電磁觀測數據,但是這些證據都是間接的。

  2016年探測到的雙黑洞合并產生的引力波,更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式,而電磁方式是一種“看”的方式,對于更傾向于“眼見為實”“有圖有真相”的人類而言,以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。

  所以,在2016年初引力波被直接探測到之后,路如森和全球其他科學家們一起,進一步推動“事件視界望遠鏡”(EHT)項目,特別在進行觀測的望遠鏡陣列里增加了位于智利、墨西哥及南極的望遠鏡,以增加空間分辨率和望遠鏡基線覆蓋,繼續觀測銀河系中心和M87超大質量黑洞。

  “實際上,2017年的EHT觀測基本上在一年之前就已經規劃了。隨著近年來幾臺毫米波望遠鏡的陸續投入,尤其是位于智利的ALMA陣列首次在2017年加入VLBI觀測,我們從2016年就向ALMA提交了觀測申請書,申請觀測時間。毫無疑問,有吸引力的項目自然會被打高分,我們當然希望在競爭激烈的望遠鏡時間申請中脫穎而出,獲得更優先的觀測安排。”

  可以說,為了能“看見”黑洞,全球200多名科學家組成的EHT合作組織光是協調、申請觀測各望遠鏡的觀測時間就付出了大量心血。為了各國科學家工作的方便,路如森說,自己經常是在晚上和美國、歐洲的同行開視頻工作會議,一覺醒來,郵箱里又常常是幾十封待處理郵件。而參與該合作的東亞地區的科學家們差不多也多是這樣一種工作節奏。“看見”背后是無數看不見也無法量化的巨大付出。

  創建EHT是一項艱巨的挑戰,需要升級和連接部署八個現有的射電望遠鏡來組成全球網絡,而這些望遠鏡分布在各種具有挑戰性的高海拔地區,包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點共計6個地區8個臺站,科學家們以一種愛因斯坦從未想過的辦法去觀測黑洞——撒出一張大網,撈回海量數據,以勾勒出黑洞的模樣。

  利用這些臺站,科研人員使用VLBI技術使各地的射電望遠鏡實現組網,并進行同步觀測,同時利用地球自轉組成了一個口徑如地球大小、觀測波段為1.3 毫米的虛擬望遠鏡,其分辨本領足以讓人能在紐約閱讀位于巴黎一家咖啡館里的報紙。

  “這些望遠鏡并沒有實際連接起來。它們之間是借助氫原子鐘進行精確計時實現了望遠鏡的‘組網’。”路如森說,“EHT的每一臺望遠鏡都記錄了大量的原始數據,每秒達到4GB。8個臺站在5天觀測期間共記錄了約3500TB數據,相當于近350萬部電影,一個人至少要幾百年才能看完!

  這些存儲在高性能充氦硬盤上的數據,隨后被運至分別位于德國馬普射電所和美國麻省理工學院海斯塔克天文臺的數據中心進行處理。在那里,研究人員用超級計算機矯正電磁波抵達不同望遠鏡的時間差,并把所有數據做互相關綜合處理,從而達到信號相干的目的。

  之后,利用合作開發的新型數據處理、成像工具和超級計算機強大的運算能力,科學家們對這些數據進行了近兩年時間的后期處理和分析,終于捕獲了首張黑洞圖像。

  路如森說,多年來事件視界望遠鏡一直不斷觀測兩個目標黑洞:一個是我們銀河系中心的超大質量黑洞,質量約為太陽質量的400萬倍,距離地球2.6萬光年;另外一個是位于M87星系中心的黑洞,其質量為65億倍的太陽質量,距離地球5500萬光年。

  “之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標,是因為它們的事件視界在地球上看起來是最大的。其它黑洞因為距離地球更遠或質量大小有限,以現有的手段觀測難度更大。”路如森說。

  在事件視界望遠鏡的陣列中,位于智利的ALMA望遠鏡陣列對于提高EHT的觀測靈敏度和整個EHT數據的校準處理非常重要——望遠鏡本身的有效面積越大,靈敏度就越高,ALMA望遠鏡陣列將事件視界望遠鏡的各個望遠鏡真正的組網“連接”起來,把EHT的靈敏度提高了約10倍以上。

  “如果未來將更多望遠鏡加入到這個陣列,我們就能探測到更弱的輻射區域,看到更多的細節,得到一張更加清晰的黑洞照片。”路如森說。

  為什么最終大家看到的先是M87星系中心的黑洞照片,而不是銀河系中心的超大質量黑洞照片?

  “2017年EHT對銀河系中心黑洞和M87黑洞都做了首次成像觀測,但由于事件視界望遠鏡觀測來自銀心黑洞周圍的輻射或光子的時候,這些光子會受到傳播路徑上星際介質的影響——這些物質會散射光子,將觀測結果模糊化。同時,銀心黑洞質量較M87小得多,其黑洞周圍輻射結構的變化較快,對數據的分析和最后成像都不如M87來的那么直接。”

  有些人會覺得這就是一張電腦合成圖,路如森用一個簡單的比喻回應了一些人的質疑。“你去醫院做核磁共振,拿到一張身體某部位置的圖像,你會說我去做了一次該部位的電腦合成圖嗎?”實際上,黑洞照片的成像原理和核磁共振的成像原理完全一致。

  它反映的并不是我們肉眼可見的光線,而是黑洞周圍在1.3毫米輻射的亮度空間分布。通過得到的1.3毫米射電輻射的亮度分布圖,我們假定不同的強度對應不同的顏色,就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學家根據個人喜好自行設定的顏色。

  黑色是不是更符合人們對于黑洞的想象呢?反正,此番科學家把M87的照片調成了魔眼色,而電影《星際穿越》中天文學家基普·索恩設想的黑洞 “卡岡圖雅”則是亮黃色。


中國做了什么貢獻?


  中國科學家長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究,EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。

  此次合作中,中國科學家在早期國際合作的推動、望遠鏡觀測時間的申請、對位于夏威夷的JCMT望遠鏡的觀測支持、后期的EHT數據處理和結果理論分析等方面作出了自己的貢獻。

  中國境內的望遠鏡在觀測波段(頻率)與此項研究要求的條件不相符,所以此次給黑洞拍照的“攝影師”并不包括中國境內的望遠鏡。“不過,中國以另外一種方式共享了JCMT望遠鏡參與EHT項目。”路如森指出。

  現在,有了照片的黑洞終于也有自己的名字了,叫“Powehi”。Powehi是夏威夷語中的一個詞,意思是“無限創造的黑暗源泉”,它來自于18世紀描寫夏威夷與宇宙創生歷程中的一首頌歌。巧合的是,EHT項目中有2座位于夏威夷毛納基休眠山上,而M87星系中心黑洞的發現,更是直接獲益于夏威夷的JCMT望遠鏡的大力支持。

  路如森指出,觀測結果的窗口期也就那么幾天,很幸運的是那幾天8個臺站的天氣條件都非常適合觀測。“之前根據兩種方法估算,M87星系的質量相差近2倍,也就是說對應的黑洞陰影相差近2倍,如果是較小的那個數值,根本就觀測不到。目前觀測到的陰影發現剛好是大質量的那個數值,真的是非常幸運了。”

  此外,EHT項目主要資金由美國國家科學基金會(NSF)、歐盟歐洲研究理事會(ERC)和東亞資助機構提供。因此,在資金方面,中國同樣也提供了相應的支持。

  “我很早就與中國科學家合作研究黑洞,很高興我們能一起慶祝今天的進展。”EHT科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說,“在天文學、射電天文學、太空天體物理等領域,中國在這個全球項目中作出了非常重要的貢獻。”

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