黑洞照片怎么拍的 黑洞照片具體拍攝手法 事件視界望遠(yuǎn)鏡是什么

據(jù)新華社報(bào)道，“如果地球是平的，那使用這一技術(shù)可以從波恩看清紐約街頭報(bào)紙上的字。”德國(guó)馬克斯·普朗克射電天文研究所所長(zhǎng)安東·岑蘇斯對(duì)記者說(shuō)，集合全球射電望遠(yuǎn)鏡給黑洞拍照，有助于探索宇宙形成之謎。

人類(lèi)首次拍攝到的黑洞照片10日將在全球多地同時(shí)發(fā)布，岑蘇斯作為項(xiàng)目協(xié)作委員會(huì)主席及照片數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人主持比利時(shí)布魯塞爾的新聞發(fā)布會(huì)。

發(fā)布會(huì)前夕，岑蘇斯在德國(guó)波恩接受記者專(zhuān)訪時(shí)介紹，這個(gè)項(xiàng)目的主要任務(wù)是拍攝兩個(gè)黑洞。一個(gè)位于銀河系中心，名為“人馬座A＊”，是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞；另一個(gè)就是位于銀河系鄰近星系M87中心的黑洞，它的質(zhì)量要大得多。它們是按人類(lèi)“現(xiàn)有的能力”確定的“理想觀測(cè)對(duì)象”。

即使最近的“人馬座A＊”，距地球也有2．6萬(wàn)光年，M87更是距離地球5500萬(wàn)光年。給這么遠(yuǎn)的對(duì)象拍照，需要舉全球之力。岑蘇斯說(shuō)，這一名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由來(lái)自全球的數(shù)百名研究人員組成，集合了分布在全球各地的多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡。

“我們很早就和國(guó)際合作伙伴一起，致力于將相關(guān)科技能力推進(jìn)到毫米波等級(jí)。”岑蘇斯說(shuō)，給黑洞拍照主要應(yīng)用的是“甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)”，通過(guò)陣列望遠(yuǎn)鏡，既能敏感捕捉微弱信號(hào)，又能擁有高分辨率，從而進(jìn)行詳盡觀測(cè)。

據(jù)介紹，拍照工作大約兩年前正式啟動(dòng)，位于歐洲、美洲、大洋洲和南極洲的8個(gè)天文臺(tái)參與。觀測(cè)數(shù)據(jù)于2017年4月完成收集，并在當(dāng)年年底送到馬克斯·普朗克射電天文研究所和美國(guó)麻省理工學(xué)院分析。2018年6月至11月，各地科學(xué)家基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像構(gòu)建工作。此后直至今年4月，是相關(guān)論文的撰寫(xiě)和同行評(píng)議階段。

“我們?nèi)〉玫挠^察結(jié)果非常重要，質(zhì)量也讓人驚喜。”岑蘇斯說(shuō)，“我們希望借此驗(yàn)證廣義相對(duì)論的有關(guān)預(yù)測(cè)，并了解星系的形成和演化。終極目標(biāo)是從天文領(lǐng)域認(rèn)識(shí)自然，了解宇宙的形成。”

談到此次成果的全球多地同時(shí)發(fā)布，岑蘇斯說(shuō)，“這是因?yàn)檫@些地方有我們項(xiàng)目的重要參與者”。

岑蘇斯肯定了中國(guó)同行的貢獻(xiàn)。“中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)直接參與了位于美國(guó)夏威夷的東亞JCMT望遠(yuǎn)鏡對(duì)黑洞的觀測(cè)，中國(guó)其他科研機(jī)構(gòu)的多名研究人員也以不同形式參與了后期數(shù)據(jù)的分析和解讀，”他說(shuō)，“我們也希望，未來(lái)中國(guó)能有更多新的毫米波望遠(yuǎn)鏡參與進(jìn)來(lái)。”

岑蘇斯表示，首次發(fā)布黑洞照片“只是開(kāi)始”。“我們未來(lái)會(huì)擴(kuò)大陣列望遠(yuǎn)鏡的數(shù)量規(guī)模，提高靈敏度和分辨率，繼續(xù)觀測(cè)兩個(gè)黑洞在不同階段的變化，甚至對(duì)新的黑洞進(jìn)行觀察，拍攝新的、質(zhì)量更好的照片。”

什么樣的黑洞適合拍照？

事實(shí)上，黑洞并不是孤立存在的，黑洞的中心是一個(gè)奇點(diǎn)，它的周?chē)嬖诖罅繗怏w，據(jù)黑洞研究專(zhuān)家、國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍教授介紹，由于黑洞的強(qiáng)大引力，氣體會(huì)朝黑洞下落。而當(dāng)這些氣體被加熱到數(shù)十億度高溫時(shí)，便會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。同時(shí)，黑洞也會(huì)以噴流和風(fēng)的形式向外噴射物質(zhì)和能量。不過(guò)，雖說(shuō)黑洞的陰影能被“看到”，但也不是所有黑洞都符合成像條件。由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著黑洞的質(zhì)量越大，事件視界就越大，也越適合成像。因此，距離我們近的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體。用這一虛擬望遠(yuǎn)鏡“拍照”的兩個(gè)目前已知最優(yōu)的候選體，一個(gè)是銀河系中心黑洞Sgr A＊ ，一個(gè)是近鄰射電星系M87的中心黑洞M87＊。此前，距離地球2．6萬(wàn)光年的Sgr A＊從未被直接看到過(guò)，但其附近的恒星會(huì)受到它的影響，因此科學(xué)家認(rèn)為，它真實(shí)存在。此外，由于人馬座的Sgr A＊被宇宙塵埃和氣體包圍，觀測(cè)難度大大增加。天文學(xué)家集中了位于南極洲、美洲和歐洲的6個(gè)地方的8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，組成“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，共同發(fā)射能穿透黑洞周?chē)芗窃频恼l無(wú)線電波，來(lái)“對(duì)焦”這個(gè)著名的黑暗之地。為了增加探測(cè)靈敏度，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年4月份的觀測(cè)中，每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit／s，8個(gè)臺(tái)站在5天觀測(cè)期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)（相當(dāng)于350萬(wàn)部電影，至少要幾百年才能看完！）。EHT采用專(zhuān)用硬盤(pán)來(lái)記錄數(shù)據(jù)，再把它們送回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。在那里，研究人員用超級(jí)計(jì)算機(jī)矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號(hào)相干的目的。在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的后期處理和分析，人類(lèi)終于捕獲了首張黑洞圖像。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）項(xiàng)目是什么？

中國(guó)也有參與者2017年4月，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”啟動(dòng)對(duì)黑洞拍照，“沖洗”用了約兩年時(shí)間。包括中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)在內(nèi)的一些國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)參與了此次國(guó)際合作。此外，我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究，在EHT國(guó)際合作形成之前就已開(kāi)展了多方面具有國(guó)際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，中國(guó)科學(xué)家在早期共同推動(dòng)了EHT的合作并參與了EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)，同時(shí)協(xié)助JCMT望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展觀測(cè)并參與數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等，為EHT黑洞成像做出了積極的貢獻(xiàn)。事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目由13個(gè)合作機(jī)構(gòu)組成，中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)中心（CAMS） 是其中之一。CAMS由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)共同建立，其中上海天文臺(tái)牽頭組織協(xié)調(diào)國(guó)內(nèi)學(xué)者參與了此次合作。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員、副臺(tái)長(zhǎng)、學(xué)術(shù)委員會(huì)主任袁峰曾介紹，直接觀測(cè)到黑洞相當(dāng)于是給彎曲的時(shí)空拍照，需要望遠(yuǎn)鏡有很高的分辨率。如果采用毫米波望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，根據(jù)公式測(cè)算，它的口徑需要達(dá)到“地球直徑”一樣的長(zhǎng)度。如果用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到幾公里的口徑，紅外望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到10－100公里口徑。而人類(lèi)目前建造最大的望遠(yuǎn)鏡是口徑只有500米的射電望遠(yuǎn)鏡，位于我國(guó)貴州。要想“視線”觸及遠(yuǎn)距離黑洞，并能穿透彌漫氣體及高溫氣體，就需要有一個(gè)與地球體型相當(dāng)?shù)木扌屯h(yuǎn)鏡才行，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）完成的正是這個(gè)任務(wù)。事件視界望遠(yuǎn)鏡并不是一個(gè)傳統(tǒng)觀念的觀測(cè)平臺(tái)，而是由位于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極的天線組成觀測(cè)陣列，根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)家賈森·德克斯特介紹：“這個(gè)觀測(cè)計(jì)劃是一個(gè)前所未有的實(shí)驗(yàn)，我們將獲得更加清晰的黑洞周?chē)鷪D像信號(hào)。”他表示，如果這一技術(shù)走向成熟，那么可在未來(lái)幾年內(nèi)提供令人驚訝的觀測(cè)結(jié)果。“從地球上觀測(cè)人馬座A ＊，就如同我們觀測(cè)月球上的一顆柚子，但是事件視界望遠(yuǎn)鏡卻可以勝任這一任務(wù)，它的分辨率可以觀測(cè)月球上一個(gè)大小接近高爾夫球的物體。”