人类首张黑洞照片发布,像甜甜圈,顺便恭喜爱因斯坦

伶轩 8个月前 (04-10)

“星际穿越”不再神秘!

人类终于知道黑洞是什么样子的了。

刚刚,世界首张黑照片在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等6地同时发布。

看起来,它像一个甜甜圈。

别看这张照片很模糊,远不及《星际穿越》中的黑洞那样炫酷,它可是人类天文观测史上获得的第一张真实黑洞图像,耗时两年才得以“冲洗”完成,将给天文学家了解星际演化等提供极有价值的直接依据,也很有可能改变我们既有的对黑洞、引力甚至是宇宙的认知。

简而言之,这张照片是人类天文观测史上的重要里程碑,它直接证实了爱因斯坦相对论的正确性

此次拍摄的黑洞为室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。这么远的距离,就意味着现今的航天器根本去到黑洞附近用相机进行传统“拍摄”,而需要一些特殊的办法。

这张照片便是在2017年由8座ETH摄电望远镜历时5天收集的超7000TB的数据中分析集成的,绝对真实,无半点人类加工成分。

那么,这究竟是怎样一张照片,竟要“冲洗”两年时间?

为什么人类一直没能获得真实的黑洞照片?

作为宇宙中最神秘的天体之一,黑洞的“样貌”历来只存在于艺术加工或电脑模拟图像中,也从没有人敢对它做最终定义,包括爱因斯坦。

1916年,爱因斯坦提出广义相对论,首次将引力场解释成“时空的弯曲引力可视为时空扭曲”。具体来说,爱因斯坦认为,因黑洞的强大引力,其周围的时空会发生扭曲,这块区域便是今天照片的重点组成部分——事件视界。(不考虑真实性的话,各位可自行脑补《星际穿越》中的场景)

众所周知,一个物体想要被看见,最直接的媒介就是光。通过发光或对光的反射,物体不仅能展示真实样貌,还能够显现多彩的颜色。比如太阳,本身就会发光;月球则可以反射太阳光让大家看清它的面貌。但这一切对于黑洞来说,就很难了。

因为黑洞强大的引力,事件视界内所有的物质都会被它吞噬,包括光。因此,人类无法通过传统的“拍摄”手法揭开黑洞的真面目,只能另想它法。

看见“黑洞”,关键在“事件视界”

天文学家认为,让黑洞可视化的关键,在于“事件视界”

上面提到,黑洞的强大引力会将事件视界内所有的物质都“吞噬”掉。目前,天文学家尚未明确知道具体的“吞噬”过程,但有一点能确定的是,物质在进入黑洞之前会围绕黑洞做高速旋转,并快速向黑洞靠近。

重点来了,物质高速旋转必然会产生热量,在被加热到数十亿度的高温时,所发出的强烈辐射便能被远在数千万光年外的地球捕捉到,从而进一步获得有关黑洞的剪影。

这样一来,“拍摄”黑洞照片,便可以进入实际可操作阶段了。但其实,这并不容易,因为地球离黑洞实在是太,远,了(远点好,不然就被吸进去了~~~)。

如何“看清”黑洞庐山真面目?

迄今为止,人类对黑洞的探索都极为有限,其中了解相对较多便是银河系中心的特大质量黑洞人马座A*,它距离地球2500万光年。而此次照片的主角,离我们更远,有5500万光年(究竟有多远自己想像吧),质量为太阳的65亿倍。

别看它有这么大,因为距离过远,从地球上“看”过去,该黑洞几不可见。类比来看,看这一超级黑洞就仿佛在地球上看一枚掉落在月球表面的一颗纽扣一样,想要“看清”它,需要一个口径至少和地球直径一样大的望远镜。显然,靠单个望远镜根本无法实现对黑洞的探测。但一个不行,我们可以用多个,通过组建虚拟望远镜网络来实现它。

为了揭开黑洞的庐山真面目,2014年12月,各国天文学家开始奔赴阿塔卡玛、智利、西班牙、夏威夷、北美、墨西哥,甚至是南极等地,分别安排建设事件视界望远镜(EHT,专为获得黑洞影像的实验计划),以期组成一个巨大的虚拟望远镜网络,观测几千万光年之外的黑洞。

简而言之,天文学家在全球各地建设了摄电望远镜,并通过连接它们形成了一个巨大网络,该网络便仿佛是一个口径足够大的虚拟望远镜,这样便可以吸收到足够的来自黑洞的辐射了,再通过数据集成模拟出黑洞事件视界的图像。

但要做到这一点,必须保证所有摄电望远镜在观测时时间上是绝对同步的。为什么这么说呢?

我们可以将EHT虚拟望远镜想象成一个巨大的抛物面的镜子,而黑洞事件界面传到地球的辐射为平行光。当平行光进入反射面时,只有在特定反射角度下,光同一时间抵达焦点才能够获取最清晰的图像。而如果多个摄电望远镜在时间上不够绝对同步,就相当于这面镜子在不断震动,那么反射的光线就无法同时聚焦,所获取的图像必然不清晰甚至完全走形。

为此,EHT采用了原子钟(一种计时装置,精度可以达到每2000万年才误差1秒)来确保数据的稳定性,在两年前同步开启多个摄电望远镜的数据采集工作。在为期5天的观测中,EHT共收集到了超7000TB的数据,并通过硬盘运送至美国海斯塔克天文台及位于德国的马克斯博朗克电波天文研究所,利用那里的超级计算机进行数据矫正、分析、合成。运送之繁琐、数据之多、工作之重可以想见,这也是为什么首张黑洞照片“冲洗”历时两年的主要原因。

首张黑洞照片的意义

毋庸置疑,此次发布的照片意义重大,天文学家可以基于此对事件视界这一极端环境进行进一步的了解,首次以最直接的方式验证爱因斯坦理论的正确性

除此之外,由于黑洞在星际演变中的重要性,天文学家还可以根据图像推演出星系中壮观喷流是如何形成并影响星系演化的,甚至可能因此改变人类此前对黑洞、引力,乃至宇宙的认知。而这些谜底,都将随着EHT项目的不断扩大一步步被揭开。

最后,镁客网想提一个不成熟的小建议:黑洞照片既然已经亮相,电影界的朋友们是不是可以行动起来了,尤其是诺兰导演,《星际穿越2》是不是也可以提上议程了?

最后,记得关注微信公众号:镁客网(im2maker),更多干货在等你!

镁客网


科技 | 人文 | 行业

微信ID:im2maker
长按识别二维码关注

硬科技产业媒体

关注技术驱动创新

分享到