四大洲、八個觀測點、超過兩百名科學家,聯合觀測捕獲影像 人類首次“看到”黑洞正面照

四大洲、八個觀測點、超過兩百名科學家,聯合觀測捕獲影像 人類首次“看到”黑洞正面照

 

首張黑洞照片。 事件視界望遠鏡合作組織供圖

 

黑洞是廣義相對論預言存在的一種天體,它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力範圍,該勢力範圍稱作事件視界。

 

四大洲、8個觀測點組成虛擬望遠鏡網路,讓黑洞首次有了一張“正面照”。

 

近年來,中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大,在吸收世界創新養分的同時,也不斷貢獻中國智慧。

 

大量天文觀測資料已證實,浩瀚的宇宙當中,無數的黑洞神祕地藏身於各星系中。但人類卻從未直接“看”到過黑洞真容。

 

2017年4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們啟動了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃。他們將分佈於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網路。最終,科學家們成功拍攝到了黑洞的第一張“照片”。北京時間4月10日21時,這張“大片”在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時釋出。

 

4年前,兩個黑洞合併產生的引力波訊號被科學家“捕捉”到,成為科學界的一個里程碑事件,人類開始“聽”到黑洞。這一次,人類終於眼見為實。

 

有許多間接證據證明黑洞的存在,但科學家從未直接“看”到

 

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體,它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力範圍,該勢力範圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

 

黑洞怎麼形成的?像宇宙萬物一樣,恆星也會衰老死亡。一些大質量恆星在核聚變反應燃料耗盡時,核心會急劇塌縮,所有物質快速向著一個點坍縮,最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點,並形成一個強大的力場漩渦,扭曲周圍時空,成為黑洞。

 

根據質量,天文學家將宇宙中的黑洞分成三類:恆星級質量黑洞(幾十倍到上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介於兩者之間)。根據理論推算,銀河系中應該存在著上千萬個恆星量級的黑洞。然而,因為黑洞自身不發射和反射電磁波,儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

 

既然無法“看見”,怎麼知道它存在呢?天文學家們主要是通過各種間接的證據。一是恆星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恆星、氣體會產生影響,可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。二是根據黑洞吸積物質,也就是“吃東西”時發出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。到目前為止,通過間接的觀測,科學家們在銀河系發現和確認了20多個恆星級質量黑洞,但可能有上千萬個恆星級黑洞候選體。

 

中國科學院上海天文臺研究員沈志強說:“宇宙每個星系中心都有一個超大質量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆,它的質量大約是太陽質量的400多萬倍。除此之外,銀河系還有很多恆星級黑洞。”

 

黑洞和宇宙的誕生和演化有何關係?又和我們人類有什麼關係?為了更準確清晰地解答這些問題,科學家們想直接“看”到黑洞。

 

口徑如地球大小的虛擬望遠鏡,靈敏度和分辨本領前所未有

 

廣義相對論預言,雖然黑洞本身不發光,但因為黑洞的存在,周圍時空彎曲,氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中,引力能轉化為光和熱,因此氣體被加熱至數十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,事件視界看起來就像陰影,陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。

 

中國科學院上海天文臺研究員路如森說:“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據。這就必須要保證望遠鏡足夠靈敏,能分辨的細節足夠小,從而保證看得到和看得清。”

 

但滿足上述所有條件,望遠鏡的口徑需要像地球大小。然而,目前地球上已有的單個望遠鏡最大口徑也只有500米,遠遠不夠用。怎麼解決?

 

一個難以想象的大科學計劃誕生了:用分佈全球的8個觀測點,組成一個口徑如地球直徑大小的虛擬望遠鏡,其所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的。條件苛刻的觀測點,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。

 

全球超過200名科學家達成了“事件視界望遠鏡”(EHT)這一重大國際合作計劃,決定利用甚長基線干涉測量技術。沈志強說:“就是利用多個位於不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測,最後將資料進行相關性分析之後合併,這一技術在射電波段已相當成熟。”

 

被拍照的黑洞質量超大,但因距離遙遠,就像在地球上看放在月球表面的橙子

 

在組建大型虛擬望遠鏡的同時,科學家們也在尋找著合適的拍攝目標。

 

黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環非常小。在拍照裝置能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞照片,必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標。

 

科學家們甄選之後,決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標:一個是位於人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*,另一個則是位於射電星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大質量黑洞。

 

沈志強說:“由於黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也意味著質量越大,其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質量都超級大,它們的事件視界在地球上看起來也是最大的,可以說是目前最優的成像候選體。”

 

儘管被選擇的兩個黑洞已是最優成像候選體,但要清晰為它拍照,難度還是極其大。Sgr A*黑洞的質量大約相當於400萬個太陽,所對應的視介面尺寸約為2400萬公里,相當於17個太陽的大小。然而,地球與Sgr A*相距2.5萬光年之遙。“這就意味著,它巨大的視介面在我們看來,大概只有針尖那麼小,就像我們站在地球上去觀看一個放在月球表面的橙子。”沈志強說。

 

M87中心黑洞的質量更為巨大,達到了60億個太陽質量。儘管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠,但因質量龐大,所以它的事件視界對科學家們而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至還要稍微大一點。

 

要想看清楚兩個黑洞事件視界的細節,事件視界望遠鏡的空間解析度要達到足夠高才行。要多高呢?路如森說:“比哈勃望遠鏡的解析度高出1000倍以上。”但也別以為,只要虛擬望遠鏡陣列的解析度足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。如同觀看電視節目必須選對頻道一樣,對黑洞成像而言,在合適的波段進行觀測至關重要。

 

此前的一系列研究表明,觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段約為1毫米。路如森說,這是因為氣體在這個波段的輻射最明亮,而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。在這種情況下,望遠鏡的解析度取決於望遠鏡之間的距離,而非單個望遠鏡口徑的大小。

 

為了增加空間解析度,以看清更為細小的區域,科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列裡增加了位於智利和南極的望遠鏡。沈志強說:“這樣設定是為了要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,從而達到最高的靈敏度和最大的空間解析度。”

 

每年只有約10天觀測期,照片問世前經過超級計算機長達兩年的“沖洗”

 

四大洲8個觀測點組成的虛擬望遠鏡網路,讓黑洞首次有了一張“正面照”。

 

留給科學家們的觀測視窗期非常短暫,每年只有大約10天時間。除了觀測時間上的限制,拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大,會影響射電波的強度,這意味著降水會干擾觀測,要想事件視界望遠鏡順利觀測,需要所有望遠鏡所在地的天氣情況都非常好。按照要求,計劃選擇的8個望遠鏡所在之處均海拔較高,降雨量極少,全部晴天的概率非常高。

 

此外,要成像成功還必須要求所有望遠鏡在時間上完全同步。北京時間2017年4月4日,事件視界望遠鏡啟動拍攝,將視線投向了宇宙。最後的觀測結束於美國東部時間4月11日。觀測期間,每一個射電望遠鏡都收集並記錄來自於目標黑洞附近的射電波訊號,這些資料此後被整合用於獲得事件視界的影象。

 

沈志強說:“為了確保訊號的穩定性,事件視界望遠鏡利用原子鐘來確保望遠鏡收集並記錄訊號在時間上同步。”

 

拍照難,“洗照片”更不容易。射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞,但它們將收集大量關於黑洞的資料資訊,用資料向科學家們描述出黑洞的樣子。在觀測結束之後,各個站點收集的資料將被彙集到兩個資料中心(分別位於美國麻省的Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所)。在那裡,超級計算機通過回放硬碟記錄的資料,在補償無線電波抵達不同望遠鏡的時間差後將所有資料整合並進行校準分析,從而產生一個關於黑洞高解析度影像。此後,經過長達兩年的“沖洗”,今年4月10日,人類歷史上首張黑洞照片終於問世。

 

近年來,中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大,在吸收世界創新養分的同時,也不斷貢獻中國智慧。

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