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全球科学家携手 只为拍下黑洞“真容”

——首张黑洞“写真”证明“爱因斯坦是对的”
2019年04月11日 17:45    来源:多播网    关注度(16)

2017年4月5日到14日,从北美格雷厄姆山到南极点冰面,从太平洋夏威夷群岛的莫纳基亚山到伊比利亚半岛内华达山脉的贝莱塔峰,从墨西哥普埃布拉省的休眠火山顶到智利查南托高原的阿塔卡马沙漠,8台各种类型的射电望远镜同时对准了距离地球5500万光年的室女座星系团中的超大质量星系M87。这些望远镜组成了一个口径几乎与整个西半球一样大小的超级“虚拟”望远镜,只为拍下M87中心黑洞的“真容”。

2019年4月10日21点06分,作为事件视界望远镜(EHT)全球新闻发布会的6个举办地之一,已经被媒体记者和观众挤满的中科院上海天文台三楼会议室里,一张前所未见的图片出现在屏幕上。照片的中央是一个红色的圆环。环的上半部分较细,呈现血红色;下半部较粗,呈现亮红色;环包裹的部分,是一个黑色的圆形。尽管乍看上去这个图片有些朦朦胧胧,但却是人类第一次直接拍摄到黑洞。

这张M87中心黑洞的真实图片,与根据爱因斯坦广义相对论推导出来的黑洞模型,完全吻合。广义相对论首次获得了试验验证——“爱因斯坦是对的”。

证明广义相对论需要看清黑洞

与太阳、地球一样,黑洞是一种天体;但黑洞不仅不会像太阳一样发出光,反而会将落入它势力范围的光牢牢抓在手里。这个势力范围被称为黑洞半径或是事件视界。这是因为黑洞是一种被极度压缩的天体,在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。如果太阳变成黑洞,大约只有6公里大小。密度如此之高的黑洞,拥有极端强悍的引力场,以至于会造成周边时空的弯曲。

1个世纪之前,爱因斯坦的广义相对论就预言了黑洞的存在。根据广义相对论,科学家们预测了黑洞的样子:一个被圆形光环包围的黑色区域。明亮的圆形光环是由于黑洞吸积或是喷流辐射造成的。黑洞会将周围空间中的气体吸收进来,在此过程中气体的引力能转化为热能,因此气体温度变得很高,发出强烈的辐射。而黑洞的自旋及观测视线的不同,光环大小也会不一样。

黑色区域被称为黑洞阴影,比事件视界尺寸更大。黑洞阴影的形成,源于光线的引力弯曲和事件视界对光子的捕获,也是人们能看到最接近黑洞本身的图像。给黑洞拍照,其实就是要将黑洞阴影清楚地展现出来,这也是广义相对论最为直接的证据。

然而,相较于普通的天体,无论是黑洞阴影还是周围的光环都非常之小,对拍照设备提出了极高的要求。黑洞阴影大小取决于事件视界的大小,而事件视界又与黑洞质量成正比,同时还要求黑洞的角直径越大越好。因此,近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。

M87 中心黑洞质量是太阳的65 亿倍,黑洞阴影是事件视界的2.5倍,大小约1000亿公里,其又相对接近地球,是从地球上看过去角直径最大的黑洞之一。这使得M87中心黑洞最终成为第一个被地球人拍下真容的黑洞。

全球科研人员合作打造超级“相机”

ldquo;给黑洞拍照,不仅要看得到,还能分得清。”中科院上海天文台台长沈志强研究员说,“这就要求‘相机’能够看得非常远,同时具有极高的分辨率。”从上世纪60年代兴起的甚长基线干涉测量(VLBI)技术被认为是最好的黑洞“相机”,但观测事件视界的最佳波段在波长1毫米附近,而能够捕捉到如此微弱宇宙信号的射电望远镜,在经历了数十年的发展之后,才逐渐出现。

为了看清黑洞,全世界200多位科研人员联合起来。通过VLBI和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜——事件视界望远镜(EHT)。EHT 观测波段是 1.3 毫米,分辨率约 20 微角秒,这是前所未有的灵敏度和分辨本领,足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读纽约的报纸。

创建 EHT 是一项艰巨的挑战,需要升级和连接部署8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。

参与观测M87中心黑洞的射电望远镜包括ALMA、APEX、IRAM 30 米望远镜、James Clerk Maxwell 望远镜、大毫米波望远镜(LMT)、亚毫米波阵(SMA)、亚毫米波望远镜(SMT)和南极望远镜(SPT)。

虽然这些射电望远镜没有物理上连接,但借助氢原子钟精确计时,各台望远镜实现了数据记录的同时性。在 2017 年的全球观测中,每一台望远镜都产生了大量的数据,每天约生成 350 太字节的数据,这被存储在高性能的充氦硬盘上。随后,这些数据被空运至称作相关器的高度专业化超级计算机处进行合并处理,这些超级计算机位于马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台。在那里,合作开发的新型计算工具将精心处理数据并将其转换为图像。

最终,多次独立的 EHT 观测通过多个校准及不同的成像方法均揭示了M87中心黑洞具有一个环状的结构及其中心的暗弱区域,即黑洞阴影。“我们已经取得了一代人以前认为不可能做到的事情。”EHT项目主任、美国哈佛大学天体物理中心和史密森学会高级研究员谢泼德·多尔曼说,“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”

中国科学家贡献智慧

首张黑洞照片的背后,闪耀着中国科学家的智慧。该项目获得了中国科学院天文大科学中心(CAMS)的支持。CAMS由中国国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立,是 EHT 的3 个合作机构之一。上海天文台负责牵头组织协调国内学者通过该合作机构参与此次 EHT 项目合作。

事实上,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,在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。在此次EHT合作中,中国科学家在早期EHT国际合作的推动、EHT望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面作出了中国贡献。其中,来自中国大陆的学者有16人,分别是上海天文台8人、云南天文台1人、高能物理所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人,华中科技大学1人。另外,还有部分来自中国台湾地区的学者。

沈志强透露,在2017年EHT全球联合观测的2017年3月—5月期间,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的M87中心黑洞成像提供了总流量的限制。

在取得了首张黑洞照片之后,沈志强对该领域取得进一步研究成果充满信心:“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是 EHT 国际合作的终点站。我们已经开始在0.8毫米波段进行测试观测,西藏阿里射电望远镜建设也在推进中,这都将给EHT国际合作带来新的活力,使得新的成果源源不断涌现出来。”

(作者:耿挺 责任编辑:ydm)

文章来源:http://www.duob.cn/cont/848/209781.html