大量天文观测数据已证明，在浩瀚的宇宙当中，有无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞，并不知道它的真实容貌。
为了能一睹黑洞真容，2017年4月5日到14日之间，来自全球30多个研讨所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将散布于全球不同地域的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络，希望应用其捕获黑洞影像。 最终，科学家们胜利拍摄到了黑洞的第一幅“照片”。 北京时间2019年4月10日21时，这张照片在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。传说中的黑洞终于揭开神秘面纱。 人类有史以来的第一张黑洞照片是如何拍摄的，记者为您揭秘整个过程。 认识黑洞 理论上，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的权力范围，该权力范围称作黑洞的半径或称作事情视界。 那么，黑洞是怎样构成的？ 像宇宙万物一样，恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反响燃料耗尽时，内核会急剧塌缩，一切物质快速的向着一个点坍缩，最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点，并构成一个强大的力场漩涡，扭曲周围时空，成为黑洞。 宇宙中，依据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分红三类：恒星级质量黑洞（几十倍—上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。 依据理论推算，银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。但是，由于黑洞自身不发射和反射电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到它。 既然无法“看见”，那怎样就知道它存在呢？天文学家们主要是经过各种间接的证据。 中国科学院上海天文台研讨员沈志强：“主要有三类代表性证据。一是恒星、气体的运动透漏了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，于是我们能够经过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是依据黑洞吸积物质，也就是吃东西时发出的光来判别黑洞的存在。第三则是经过看到黑洞长大的过程‘看’见黑洞。” 到目前为止，经过间接的观测，科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞，但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。 沈志强说：“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们寓居的银河系中心就有一颗，它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外，银河系还有很多恒星级黑洞。” 这些神秘的黑洞和宇宙的降生和演化有何关系？它和所在的星系之间又有什么关系？它又和我们人类有什么关系，会不会对我们的生活产生影响？…… 为了更精确明晰地解答这些问题，科学家们想直接“看”到黑洞。 准备“相机” 广义相对论预言，固然黑洞自身不发光，但由于黑洞的存在，周围时空弯曲，气体被吸收下落。气体下落至黑洞的过程中，引力能转化为光和热，因而气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片相似发光气体的明亮区域内，事情视界看起来就像阴影，阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射构成的如新月状的光环。 爱因斯坦的广义相对论已预测过这个“阴影”的存在，以及它的大小和外形。 科学家们希冀这次能直接捕获到这个黑洞“阴影”的图像。 中国科学院上海天文台研讨员路如森说：“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。” 路如森说：“这就必须求保障望远镜足够灵活，能分辨的细节足够小，从而能保障看得到和看得清。” 但满足上述一切条件，望远镜的口径需求像地球大小。 但是，目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只需500米。 那该怎样办？ 聪明的天文学家们想到了一个好措施——搞强强分离。 把地球上现有的一些望远镜“组合”起来，就能够构成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,其所抵达的灵活度和分辨身手都是史无前例的。 于是，全球超越200名科学家达成了“事情视界望远镜”（EHT）这一严重国际协作计划，决议应用甚长基线干预丈量技术。 沈志强说：“就是应用多个位于不同中央的望远镜在同一时间中止分离观测，最后将数据中止相关性剖析之后兼并，这一技术在射电波段已相当成熟。” 最终，科学家们选定了来自全球多地的包含南极望远镜等8个亚毫米射电望远镜。 路如森说：“它们多数都是单一望远镜，好比夏威夷的JCMT和南极望远镜。也有望远镜阵列，好比ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。” 选定目的 在组建大型虚拟望远镜的同时，科学家们也在寻觅着适合的拍摄目的。 黑洞剪影和周围环绕的新月般光环是十分十分小的。在拍照设备才干有限的状况下，要想拍摄到黑洞照片，必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目的。 科学家们甄选了一圈之后，决议将近邻的两个黑洞作为主要目的：一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。 沈志强说：“由于黑洞事情视界的大小与其质量成正比，这也意味着质量越大，其事情视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大，它们的事情视界在地球上看起来也是最大的，能够说是目前最优的成像候选体。” 固然如此被选择的两个黑洞已是最优成像候选体，但要明晰为它拍照，难度还是极端大。 Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳，所对应的视界面尺寸约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。但是，地球与Sgr A*相距2万5千光年（约24亿亿公里）之遥。 沈志强说：“这就意味着，它庞大的视界面在我们看来，大约只需针尖那么小，就像我们站在地球上去观看一枚放在月球名义的橙子。” M87中心黑洞的质量更为庞大，抵达了60亿个太阳质量。 固然M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的事情视界对科学家们而言，可能跟Sgr A*大小差未几，以至还要稍微大那么一点儿。 调试相机 要想看分明两个黑洞事情视界的细节，事情视界望远镜的空间分辨率要抵达足够高才行。 要多高呢？ 路如森说：“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。” 但也别以为，只需虚拟望远镜阵列的分辨率足够高，就一定能胜利给黑洞拍照。 实践状况并没那么简单！好像观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，能够在适合的波段中止观测至关重要。 此前的一系列研讨表明，观测黑洞事情视界“阴影”的最佳波段是约为1毫米。 路如森说：“由于气体在这个波段的辐射最明亮，而且射电波也能够不被阻挠地从银河系中心传播到地球。” 在这种状况下，望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离，而非单个望远镜口径的大小。 为了增加空间分辨率，以看清更为细小的区域，科学家们在此次中止观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。 沈志强说：“这样设置是为了要保障一切8个望远镜都能看到这两个黑洞，从而抵达最高的灵活度和最大的空间分辨率。” 正式拍摄 8个望远镜北至西班牙，南至南极，它们将向选定的目的撒出一条大网，捞回海量数据，为我们勾勒出黑洞的容貌。 留给科学家们的观测窗口期十分短暂，每年只需大约10天时间。关于2017年来说，是在4月5日到4月14日之间。 除了观测时间上的限制，拍摄对天气条件请求也极为苛刻。 “由于大气中的水对这一观测波段的影响极大，水会影响射电波的强度，这意味着降水会干扰观测。” 沈台说，“要想视界面望远镜顺利观测，需求一切望远镜所在地的天气状况都十分好。” 依照请求，计划选择的8个望远镜所在之处均是位于海拔较高，降雨量极少，全部晴天的概率十分高。 此外，要成像胜利还必须求求一切望远镜在时间上完整同步。 北京时间2017年4月4日，事情视界望远镜启动拍摄，将视野投向了宇宙。最后的观测终了于美国东部时间4月11日。 观测期间，每一个射电望远镜都搜集并记载来自于目的黑洞左近的射电波信号，这些数据然后被集成用于取得事情视界的图像。 沈志强说：“为了确保信号的稳定性，事情视面望远镜应用原子钟来确保望远镜搜集并记载信号在时间上同步。” 冲洗照片 给黑洞拍张照片不容易，“洗照片”更是耗时漫长。 射电望远镜不能直接“看到”黑洞，但它们将搜集大量关于黑洞的数据信息，用数据向科学家们描画出黑洞的样子。 在观测终了之后，各个站点搜集的数据将被汇集到两个数据中心（分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所）。在那里，超级计算机经过回放硬盘记载的数据，在弥补无线电波抵达不同望远镜的时间差后将一切数据集成并中止校准剖析，从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。 尔后，经过长达两年的“冲洗”，2019年4月10日，人类历史上首张黑洞照片终于问世。 延伸阅读： 黑洞的彩照来了！六步教你怎样看懂它 实践效果嘛，圆圆的，红红的，似乎有点糊嘛？那么，“吃瓜大众”该怎样消化这个庞大的天文物理瓜呢？ 学问点1：黑洞本体看不见，周围一圈是气体 众所周知，黑洞因汇集了大量质量，引力引发周围空间扭曲，连光子都无法逃逸进来，因而本体是无论如何看不见的。这次科学家们其实是追溯到了光子消逝的边疆，尽量看到了“极限”。 照片中间黑色的才是黑洞本体，直径大约一千亿公里，周围是被它吸积成一圈的气体，因湍急活动而摩擦发光。 学问点2：黑洞的彩色照片，其实是“假的” 拍黑洞的望远镜搜集到的不是我们日常的可见光，而是一种波长更长的亚毫米波，自身是没有颜色的区别的。科学家们实践上只能感遭到强弱的不同，照片的红色是后期处置的效果，你也能够了解为一种“照骗”了。 学问点3：黑洞在旋转 从地球上看，这个距离我们5000万光年的M87黑洞是在顺时针旋转的。 学问点4：南北错误称 由于这个黑洞的自旋方向在远离地球，由于多普勒效应（就像救护车加速靠近时声调会变高，远离时声调会变低），光圈并不平均，呈现出南北一边较为明亮一边较为暗的效果。 学问点5：不是直接成像的 拍黑洞照片运用了一种叫VLBI的技术，并非直接“拍照片”，而是靠8台望远镜的数据拼凑起来的，其中还有些含糊和缺失的信息，需求科学家们边讨论边拼图。这就像靠听几个音符来认歌一样。 学问点6：爱因斯坦又对了 科幻电影喜好者们可能会发现，这个照片整体上结构和《星际穿越》里的形象还是比较契合的。这就要感激爱因斯坦了。黑洞是他在1915年发表的广义相对论的重要推论，之前《星际穿越》的科学顾问、诺奖得主基普·索恩也是依据理论计算推测出黑洞的样子。 来源：综合人民网、澎湃新闻 流程编辑：tf011 |
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