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黑洞照片是怎么拍成的?中国参与者解密

日期:2019-04-17 【 来源 : 新民周刊 】 阅读数:0
阅读提示:为了各国科学家工作的方便,路如森说,自己经常是在晚上和美国、欧洲的同行开视频工作会议,一觉醒来,邮箱里又常常是几十封待处理邮件。
作者|陈 冰

  揭开“黑洞”神秘面纱的那一刻,中国科学院上海天文台研究员、ETH国际合作成员路如森激动得有些哽咽。“当你想象中的东西第一次真实地出现在眼前时,真有一种美梦成真的感觉。”他在发布会后如是说。

  仰望星空,遥远的“黑洞”从未像今天这样触手可及——世界各国科学家联手“捕获”黑洞影像,并以一种“天涯共此时”的奇妙方式联袂公布,爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图被找到了!

  从观测到发布,全球200多位科学家历时两年才“冲洗”出这张“高糊”的照片,人们不禁要问,这张“兴师动众”的照片究竟是怎么拍出来的?已经参与此项目近8年的路如森,作为亲历者,向《新民周刊》揭开了“黑洞”成像的不凡历程。


看不见的黑洞怎么“看”?


  一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。

  天文学家普遍相信黑洞确实存在于宇宙之中,并根据质量将宇宙中的黑洞分为恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、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)三类。

  然而直到上世纪60年代,科学家对黑洞都还只能是“说说而已”。毕竟登山家们勇攀高峰的原因是“山就在那里”,可是,天文学家们根本看不到黑洞,他们又怎么能确定“黑洞就在那里”呢?

  黑洞自身不发光,难以直接探测,而且黑洞距离地球非常遥远,以往的天文观测设备根本看不到黑洞。科学家们只能够“曲线救国”,采用一些间接方式来证明黑洞的存在——比如周围恒星运动、吸积盘、喷流乃至引力波等等。

  在某些时候,恒星级黑洞(从3个太阳质量到100个太阳质量大小)会将恒星的气体撕扯到它自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,即吸积盘。当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去,形成喷流。

  吸积盘和喷流两种现象都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射,所以很容易被科学家探测到,黑洞的藏身之处也就暴露了。

  不过,理论很丰满,现实很骨感。

  以我们的银河系为例,根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞,可到目前为止,我们只确认了20多个黑洞的存在,此外还有四五十个黑洞候选体。

  要最终真正确认一个天体是否为黑洞,我们还需要做出更多测量与计算。要探测一个从几十万个太阳质量到几十亿甚至上百亿个太阳质量的超大质量黑洞,挑战就更大了。

  所以即使在探测到引力波、从而权威性地证明黑洞存在的今天,人类还是没有直接看到能够揭秘极端条件下时空秘密的那个“洞”——“黑洞事件视界”。

  路如森在接受《新民周刊》说,这或许正是黑洞本身的迷人之处所造成的——黑洞的致密程度让人难以想象!如果把地球压缩成一个黑洞,它的大小和一个汤圆差不多;而一个位于距离地球1kpc(约3262光年)处,10倍于太阳质量的恒星级黑洞,其事件视界的角直径大小只有0.4纳角秒。这比哈勃望远镜的分辨率的亿分之一还要小,任何现有的天文观测手段都没有这样的分辨本领!

  不过,在没能一睹黑洞真容的岁月里,科学家们还是通过计算了解到了黑洞的“样貌”。

  上世纪70年代,科学家们计算出了黑洞的图像。90年代后期,Heino Falcke等人针对银河系中心黑洞的情况做了详细计算,并引入了黑洞阴影的说法。他们同时指出,该黑洞阴影若是“镶嵌”在周围明亮的、光学薄(即对某一观测波长透明)的热气体中,就可以被(亚)毫米波甚长基线干涉测量技术(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)“看到”。这一说法,为科学家们日后联网望远镜观测打开了一扇窗。


全球望远镜怎么连起来?


  早在2017年进行全球联网观测之前,全球很多科学家已经为此努力了十多年的时间。2006年,“事件视界望远镜”启动并记录下了第一组天文数据,当时,有三座望远镜使用VLBI技术进行连线观测。

  随后,科学家们通过对银河系中心黑洞和M87黑洞的观测,确实在亚毫米波段探测到了黑洞边缘处辐射的结构。

  “这给了我们很大的信心。”路如森对《新民周刊》表示,在此之前,尽管科学家们已经掌握了很多证明黑洞确实存在的电磁观测数据,但是这些证据都是间接的。

  2016年探测到的双黑洞合并产生的引力波,更是让人们愈加相信黑洞的存在。但引力波是类似于声波的“听”的方式,而电磁方式是一种“看”的方式,对于更倾向于“眼见为实”“有图有真相”的人类而言,以直观的电磁方式探测到黑洞还是非常让人期待的。

  所以,在2016年初引力波被直接探测到之后,路如森和全球其他科学家们一起,进一步推动“事件视界望远镜”(EHT)项目,特别在进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利、墨西哥及南极的望远镜,以增加空间分辨率和望远镜基线覆盖,继续观测银河系中心和M87超大质量黑洞。

  “实际上,2017年的EHT观测基本上在一年之前就已经规划了。随着近年来几台毫米波望远镜的陆续投入,尤其是位于智利的ALMA阵列首次在2017年加入VLBI观测,我们从2016年就向ALMA提交了观测申请书,申请观测时间。毫无疑问,有吸引力的项目自然会被打高分,我们当然希望在竞争激烈的望远镜时间申请中脱颖而出,获得更优先的观测安排。”

  可以说,为了能“看见”黑洞,全球200多名科学家组成的EHT合作组织光是协调、申请观测各望远镜的观测时间就付出了大量心血。为了各国科学家工作的方便,路如森说,自己经常是在晚上和美国、欧洲的同行开视频工作会议,一觉醒来,邮箱里又常常是几十封待处理邮件。而参与该合作的东亚地区的科学家们差不多也多是这样一种工作节奏。“看见”背后是无数看不见也无法量化的巨大付出。

  创建EHT是一项艰巨的挑战,需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜来组成全球网络,而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点共计6个地区8个台站,科学家们以一种爱因斯坦从未想过的办法去观测黑洞——撒出一张大网,捞回海量数据,以勾勒出黑洞的模样。

  利用这些台站,科研人员使用VLBI技术使各地的射电望远镜实现组网,并进行同步观测,同时利用地球自转组成了一个口径如地球大小、观测波段为1.3 毫米的虚拟望远镜,其分辨本领足以让人能在纽约阅读位于巴黎一家咖啡馆里的报纸。

  “这些望远镜并没有实际连接起来。它们之间是借助氢原子钟进行精确计时实现了望远镜的‘组网’。”路如森说,“EHT的每一台望远镜都记录了大量的原始数据,每秒达到4GB。8个台站在5天观测期间共记录了约3500TB数据,相当于近350万部电影,一个人至少要几百年才能看完!

  这些存储在高性能充氦硬盘上的数据,随后被运至分别位于德国马普射电所和美国麻省理工学院海斯塔克天文台的数据中心进行处理。在那里,研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据做互相关综合处理,从而达到信号相干的目的。

  之后,利用合作开发的新型数据处理、成像工具和超级计算机强大的运算能力,科学家们对这些数据进行了近两年时间的后期处理和分析,终于捕获了首张黑洞图像。

  路如森说,多年来事件视界望远镜一直不断观测两个目标黑洞:一个是我们银河系中心的超大质量黑洞,质量约为太阳质量的400万倍,距离地球2.6万光年;另外一个是位于M87星系中心的黑洞,其质量为65亿倍的太阳质量,距离地球5500万光年。

  “之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的事件视界在地球上看起来是最大的。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限,以现有的手段观测难度更大。”路如森说。

  在事件视界望远镜的阵列中,位于智利的ALMA望远镜阵列对于提高EHT的观测灵敏度和整个EHT数据的校准处理非常重要——望远镜本身的有效面积越大,灵敏度就越高,ALMA望远镜阵列将事件视界望远镜的各个望远镜真正的组网“连接”起来,把EHT的灵敏度提高了约10倍以上。

  “如果未来将更多望远镜加入到这个阵列,我们就能探测到更弱的辐射区域,看到更多的细节,得到一张更加清晰的黑洞照片。”路如森说。

  为什么最终大家看到的先是M87星系中心的黑洞照片,而不是银河系中心的超大质量黑洞照片?

  “2017年EHT对银河系中心黑洞和M87黑洞都做了首次成像观测,但由于事件视界望远镜观测来自银心黑洞周围的辐射或光子的时候,这些光子会受到传播路径上星际介质的影响——这些物质会散射光子,将观测结果模糊化。同时,银心黑洞质量较M87小得多,其黑洞周围辐射结构的变化较快,对数据的分析和最后成像都不如M87来的那么直接。”

  有些人会觉得这就是一张电脑合成图,路如森用一个简单的比喻回应了一些人的质疑。“你去医院做核磁共振,拿到一张身体某部位置的图像,你会说我去做了一次该部位的电脑合成图吗?”实际上,黑洞照片的成像原理和核磁共振的成像原理完全一致。

  它反映的并不是我们肉眼可见的光线,而是黑洞周围在1.3毫米辐射的亮度空间分布。通过得到的1.3毫米射电辐射的亮度分布图,我们假定不同的强度对应不同的颜色,就能够得到一幅“伪色图”——图中的颜色很可能是科学家根据个人喜好自行设定的颜色。

  黑色是不是更符合人们对于黑洞的想象呢?反正,此番科学家把M87的照片调成了魔眼色,而电影《星际穿越》中天文学家基普·索恩设想的黑洞 “卡冈图雅”则是亮黄色。


中国做了什么贡献?


  中国科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究,EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。

  此次合作中,中国科学家在早期国际合作的推动、望远镜观测时间的申请、对位于夏威夷的JCMT望远镜的观测支持、后期的EHT数据处理和结果理论分析等方面作出了自己的贡献。

  中国境内的望远镜在观测波段(频率)与此项研究要求的条件不相符,所以此次给黑洞拍照的“摄影师”并不包括中国境内的望远镜。“不过,中国以另外一种方式共享了JCMT望远镜参与EHT项目。”路如森指出。

  现在,有了照片的黑洞终于也有自己的名字了,叫“Powehi”。Powehi是夏威夷语中的一个词,意思是“无限创造的黑暗源泉”,它来自于18世纪描写夏威夷与宇宙创生历程中的一首颂歌。巧合的是,EHT项目中有2座位于夏威夷毛纳基休眠山上,而M87星系中心黑洞的发现,更是直接获益于夏威夷的JCMT望远镜的大力支持。

  路如森指出,观测结果的窗口期也就那么几天,很幸运的是那几天8个台站的天气条件都非常适合观测。“之前根据两种方法估算,M87星系的质量相差近2倍,也就是说对应的黑洞阴影相差近2倍,如果是较小的那个数值,根本就观测不到。目前观测到的阴影发现刚好是大质量的那个数值,真的是非常幸运了。”

  此外,EHT项目主要资金由美国国家科学基金会(NSF)、欧盟欧洲研究理事会(ERC)和东亚资助机构提供。因此,在资金方面,中国同样也提供了相应的支持。

  “我很早就与中国科学家合作研究黑洞,很高兴我们能一起庆祝今天的进展。”EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克说,“在天文学、射电天文学、太空天体物理等领域,中国在这个全球项目中作出了非常重要的贡献。”

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