黑洞模擬圖
為什么沒有黑洞照片
盡管黑洞在科學(xué)中是那么迷人,那樣激發(fā)人的想象力,但沒有哪位天文學(xué)家真正見過黑洞。
黑洞是由大質(zhì)量恒星自身坍縮而形成的,揭示了物理學(xué)的極限,是有著無限大密度,無限小體積的天體。沒有任何東西可以逃脫,即使是光。
天文學(xué)家推測,一些黑洞可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。
試圖觀察黑洞的最大問題是,即使是超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍)也相對較小。
我們天空中最大的黑洞是銀河系中心的黑洞, 給它拍照就相當(dāng)于在月球表面拍一張DVD。
更重要的是,由于黑洞的強大引力,它往往被其他明亮的物質(zhì)包圍,這使得很難看到物體本身。
這就是為什么在尋找黑洞時,天文學(xué)家通常不會嘗試直接觀測。相反,他們尋找黑洞引力和輻射影響的證據(jù)。
通常測量恒星和氣體的軌道,這些恒星和氣體似乎圍繞著天空中非常暗的‘點’旋轉(zhuǎn),再測量那個暗點的質(zhì)量。
如果測量的“點”(天體),得到質(zhì)量比我們測量其他天體都大,而且顏色更黑暗,那么就會被認為這是一個黑洞。
在我們星系中心的大黑洞周圍甚至可能有多達20000個較小的黑洞。
黑洞只有在消耗物質(zhì)時才會釋放x射線,但這些吞噬一切的黑洞實際上非常罕見。更常見的情況是,黑洞仍然無法被探測到。
所以我們現(xiàn)在看到的很多黑洞的照片,只能說是藝術(shù)加工想象出來的圖片。
但是,從理論上看,看到視界(黑洞的邊界稱)是可能的,盡管并不容易。視界是黑洞外的一點,在那里光不再能達到逃逸速度。
但這個視界很可能被一個吸積盤所包圍,吸積盤是圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的一個明亮的、能量極高的物質(zhì)環(huán)。
事件視界望遠鏡分布
這張照片如何拍攝的
我們銀河系的中心,在人馬座和天蝎座的邊界附近,存在著一個超大質(zhì)量黑洞。
這個被稱為人馬座A* (Sgr A*)的時空吞噬區(qū)域橫跨2700多萬英里的距離,據(jù)估計有一個吸光核心,是太陽質(zhì)量的400萬倍。
由于它與地球的距離相對較近,相隔“只有”26,000光年,它也是少數(shù)幾個被觀測到影響附近物質(zhì)流動的黑洞之一。
準確的說,不是直接拍攝銀河系中心的黑洞。實際上是要給它的影子拍張照片。它的側(cè)影將在銀河系中心輻射的背景下滑動。這張照片將首次揭示黑洞的輪廓。
盡管人馬座A* 的體積巨大,但它離我們足夠遠,所以對任何一臺望遠鏡來說,捕捉到它都是巨大挑戰(zhàn)。
人馬座 A*(Sgr A*)
或許需要比哈勃太空望遠鏡分辨率高1000倍以上才能完成。不過,天文學(xué)家決定創(chuàng)造更大的望遠鏡——整個地球。
2018年4月,天文學(xué)家同步了全球射電望遠鏡網(wǎng)絡(luò),以觀察人馬座A*的直接環(huán)境。
這就是事件視界望遠鏡(EHT),一個虛擬的行星大小的天文臺,能夠在很遠的距離捕捉到前所未有的細節(jié)。
如果真正去建立一個巨大望遠鏡,這樣的遠鏡可能會在自重下崩潰,所以組合了八個天文臺,就像巨型鏡子的碎片。
這給了我們一個和地球一樣大的虛擬望遠鏡——直徑大約10000公里。
哈珀太空望遠鏡
“拍攝”及處理遇到的挑戰(zhàn)
八個天文臺的射電望遠鏡以原子鐘的超高精度相互鎖定,捕捉到了大量關(guān)于人馬座A*的數(shù)據(jù)。
據(jù)歐洲南方天文臺稱,它的阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA)是視界望遠鏡的合作伙伴之一,僅它就記錄了超過1pb的黑洞信息。
由于信息數(shù)據(jù)巨大,無法通過互聯(lián)網(wǎng)傳送,物理硬盤需通過飛機運送,然后輸入位于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(MIT Haystack Observatory)和德國波恩市馬普射電天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)的計算集群(稱為相關(guān)器)。
然后研究人員必須整理和分析這些數(shù)據(jù),之后就是等待了計算機結(jié)果。
海斯塔克天文臺
在處理第一張“照片”的道路上第一個障礙是駐扎在南極洲的第八個參與射電望遠鏡。
由于從2月到10月不可能有航班,南極望遠鏡捕捉到的最終數(shù)據(jù)集實際上是被“冷藏”起來的。2017年12月13日才到達了海斯塔克天文臺。
在磁盤預(yù)熱之后,它們將被加載到回放驅(qū)動器中,并與其他7個天文臺的數(shù)據(jù)進行處理。
從而完成地球大小的虛擬望遠鏡,連接南極、夏威夷、墨西哥、智利、亞利桑那和西班牙的磁盤。
完成記錄比較需要大約3周的時間,之后可以開始對2017年EHT數(shù)據(jù)進行最終分析!
最終的分析持續(xù)了整個2018年,由200多名研究人員組成的研究小組仔細研究了收集到的數(shù)據(jù),并解釋了可能會降低視界圖像質(zhì)量的任何誤差來源(如地球大氣中的湍流、隨機噪聲、假信號等)。
他們還必須開發(fā)和測試新的算法,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“天空中無線電輻射的地圖”。
好消息是現(xiàn)在等待已經(jīng)進入倒計時,就在今晚,我們可以凝視宇宙中最迷人和可怕的天體之一的不祥陰影了。
這張黑洞照片可能證明愛因斯坦是錯的
那么,一旦數(shù)字運算完成,我們會看到什么呢?有趣的是,一些科學(xué)家認為它可能看起來像電影《星際穿越》中精心制作的黑洞。
電影《星際穿越》中的黑洞
然而,與那個特殊例子中令人賞心悅目的壯觀景象不同的是,人們預(yù)計視界所產(chǎn)生的光將是不對稱的,而不是均勻的。
正是在這些觀測中,愛因斯坦的廣義相對論將面臨考驗。
通過照片我們能知道黑洞具有事件視界(一種時空的曲隔界線)的觀點是否正確,以及對黑洞陰影的定量預(yù)測是否正確。
如果廣義相對論在某種程度上是錯誤的,那么我們最終應(yīng)該能夠從它的預(yù)測中看到偏差,比如我們星系大黑洞的陰影形狀和行為。
無論最終公布的圖像是什么,它可能只會加深圍繞這些神秘天文現(xiàn)象的疑問和敬畏,僅僅是工程本身就引發(fā)了這一歷史性時刻。
這是一個挑戰(zhàn),做一些從來沒有嘗試過的事情,這是通往黑洞冒險之旅的開始。
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