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人类首次捕获黑洞照片 爱因斯坦百年猜想终得检验

文章来源:黑客技术 黑客接单 添加时间:2019/04/11

北京时间4月10日21点整,天文学家召开全球新闻发布会,宣布首次直接拍摄到黑洞的照片。这张照片来之不易,为了得到这张照片,天文学家动用了遍布全球的8个毫米/亚毫米波射电望远镜,组成了一个所谓的“事件视界望远镜”(EventHorizonTelescope,缩写EHT)。
从2017年4月5日起,这8座射电望远镜连续进行了数天的联合观测,随后又经过2年的数据分析才让我们一睹黑洞的真容。
人类首次直接拍摄到的黑洞照片
这颗黑洞位于代号为M87的星系当中,距离地球5300万光年之遥,质量相当于60亿颗太阳。
大家在平时阅读科学新闻、科普书籍以及观看科幻电影的时候,也经常能看到黑洞的样子,但其实都是根据科学理论推测出来的,并非直接观测。2014年,由诺兰执导的科幻电影《星际穿越》大热,在这部影片中,光环笼罩下的超大质量黑洞——“卡冈图亚“(Gargantua)令人心生敬畏,这里的黑洞形象是使用计算机模拟出来的。在著名理论物理学家吉普·索恩的指导下,这里的模拟已经非常接近真实了,但毕竟还是模拟,这次是玩真的了。
为什么能给不发光的黑洞拍照?
这些年,黑洞这个名词频频出现在媒体报道中,想必很多人都已经对它有些了解。恒星级质量的黑洞是由大质量恒星演化到末期核心发生引力坍缩而成。中等质量黑洞和大质量黑洞的形成的具体方式目前还没有定论:可能是由小黑洞合并形成,也可能是由黑洞通过吞噬物质逐渐形成,还可能是由大量气体物质直接坍缩形成。
黑洞给人印象最深刻的印象就是吞噬一切,甚至光线。如果是孤零零的黑洞,我们真的是没办法采用电磁波手段进行拍摄了。
但通常都有物质环绕在黑洞周围,组成一个盘状结构,叫“吸积盘”。吸积盘内的物质围绕黑洞高速旋转,相互之间由于摩擦而发出炽热的光芒,包括从无线电波到可见光、到X射线波段的连续辐射。吸积盘处于黑洞“视界”的外部,因此发出的辐射可以逃逸到远处被我们探测到。
因此,我们拍摄到的不是黑洞本身,而是利用其边界上的物质发出的辐射勾勒出来的黑洞的轮廓,就像看皮影戏一样。
什么是黑洞的“事件视界”?
简单来讲,黑洞的事件视界(Eventhorizon)就是指围绕黑洞的一个时空边界,任何物质、甚至光线一旦越过这个边界,永远无法返回。但对于进入视界的物体来讲,其实感觉不到事件视界有什么奇异之处。除了事件视界,还有绝对视界和显视界之分,这里我们就不细说了。
我们通常说的黑洞的大小,其实就是指黑洞视界面的大小。如果把太阳压缩成一个黑洞,其视界半径仅3公里!如果把地球压缩成黑洞,其视界半径仅9毫米!没写错,是9毫米。
什么是“事件视界望远镜”?
文章开始我们提到,天文学家为了观测黑洞视界边缘上的物理过程,动用了分布在全球的8座毫米/亚毫米波射电望远镜,这些望远镜组成了一个虚拟的,口径接近整个地球的望远镜,这座虚拟的望远镜,称为“事件视界望远镜”。
从位于西班牙的口径30米的毫米波望远镜(IRAM30-metertelescope),到位于夏威夷的两座射电望远镜,再到位于南极洲的南极望远镜(SouthPoleTelescope)等都参与了这场伟大的观测。这8座毫米/亚毫米波射电望远镜分别为:
位于西班牙内华达山脉的30米毫米波望远镜(IRAM30m);
位于美国亚利桑那州的海因里希·赫兹亚毫米波望远镜(SMT);
位于墨西哥一座死火山顶部的大型毫米波望远镜(LMT);
位于夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜(JCMT);
位于夏威夷的亚毫米波阵(SMA);
位于智利沙漠的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA);
位于智利沙漠的阿塔卡马探路者实验望远镜(APEX;
位于南极阿蒙森·斯科特观测站的南极望远镜(SPT);
在这8座射电望远镜当中,要数阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)最为强大!ALMA位于智利北部的阿塔卡马沙漠中,海拔达5000米,那里终年干旱,为观测创造了良好的条件。目前,ALMA是由66架可移动的单体望远镜组成的干涉阵列,望远镜之间通过光纤传递信息。ALMA造价达14亿美元,是目前最为昂贵的地基望远镜之一。如果没有ALMA的加盟,观测黑洞的视界简直是不能完成的任务。
“事件视界望远镜”的工作原理是什么?
这个地球大小的虚拟望远镜利用的是一种叫“甚长基线干涉测量”(VLBI)的技术。它允许用多个天文望远镜同时观测一个天体,模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。为了弄明白这种原理,我们要简单了解一下这种技术的历史脉络。
1962年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的马丁·赖尔(MartinRyle)利用基线干涉的原理,发明了综合孔径射电望远镜,大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是:用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波,两束波进行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。赖尔因为此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。
基于综合孔径技术的射电望远镜以美国的甚大天线阵(VeryLargeArray,缩写为VLA)为代表,它是由27台25米口径的天线组成的射电望远镜阵列,位于美国新墨西哥州的圣阿古斯丁平原上,海拔2124米,是世界上最大的综合孔径射电望远镜。甚大天线阵每个天线重230吨,架设在铁轨上,可以移动,所有天线呈Y形排列,每臂长21千米,组合成的最长基线可达36千米。甚大天线阵隶属于美国国家射电天文台(NRAO),于1981年建成,工作于6个波段,最高分辨率可以达到0.05角秒,与地面大型光学望远镜的分辨率相当。这座射电望远镜阵列还经常在影视剧中出现,例如1997年,著名的科幻电影《接触》中就有VLA的身影。
甚长基线干涉测量原理一样,只是望远镜之间分布的更加遥远,无法利用电缆或光缆连接,而是把信号分别记录在各测站的储存器上,不用公共的时钟,而是各测站有自己的时钟,通常采用精度非常高的原子钟,现在能够做到1亿年不会出现1秒的误差。观测结束后,再将观测站的储存设备送到数据处理中心。利用这种办法,只要能同时看到源,理论上基线的长度就几乎不受限制。当然,在地球上则受限于地球的尺寸。
为了突破地球尺寸的限制,俄罗斯曾经在2011年向太空发射了一架口径10米的射电望远镜(Spektr-R),与地球上的射电望远镜组成基线达35万公里的干涉阵列,用于观测银河系内以及银河系之外的射电源。

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