连光都无法逃脱的黑洞是怎么被拍到的?

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  如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片,那么非人类拍摄的首张黑洞照片莫属。它是黑洞存在的直接“视觉”证据,从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。
  这张照片于2017年4月拍摄,两年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜(EHT)合作组织协调,在全球六地联合发布。
  看不见的黑洞如何证明它存在?
  一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将引力视为时空扭曲的效应。他的方程预言,一个小而重的物体能隐藏在事件视界(event horizon)之内,在视界内,其引力强大到连光都无法逃脱,这个物体就是黑洞。几乎所有的星系中心都存在黑洞,在那里,它们可以成长到太阳质量的数百万或者数十亿倍。
  在这次拍照前,主要有三类代表性证据可以表明黑洞的存在:
  一、恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。
  二、根据黑洞吸积物质(科学家们把这个过程比喻成“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在。
  三、通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。
  广义相对论预言,因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此,气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,事件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造成的如新月状的光环。
  给黑洞拍照不止是为了“眼见为实”
  给黑洞拍照,有三个科学意义:
  一、对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的,给黑洞拍照最主要的目的,就是在强引力场下验证广义相对论,看看观测结果是否与理论预言一致。
  二、有助于理解黑洞是如何“吃东西”的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这里的信息尤为关键,综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息,就能更好地重构这个物理过程。
  三、有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的,科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。对黑洞暗影的拍摄,就能助天文学家一臂之力。
  八位拍写真的“摄影师”
  为了捕获第一张黑洞图像,过去的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家们联合了其他机构的同行们,让全球八个天文台同时对银河系中心的黑洞Sgr A★和M87星系中的黑洞M87★展开亚毫米波段观测,这些望远镜统称为“事件视界望远镜”(EHT)。
  由于EHT此次观测的波段在1.3毫米,容易受地球大气的水汽影响,因此,这些亚毫米波段望远镜分布在高海拔地区,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。
  参与此次观测的包括位于世界六个地点的八个台站。其中,由于位置的限制,位于南极的SPT望远镜无法观测到M87★。所以参与观测M87★的望远镜实际上是七台。
  “冲洗”照片:复杂的后期数据处理分析
  在这次拍摄黑洞照片的过程中,多台设备同时观测和记录,然后将数据汇总到一起分析。2017年4月份的观测中,八个台站在五天观测期间共记录约3500TB的数据(1TB等于1024GB,相当于500小时的高清电影)。
  因为数据量庞大得不可能靠网络传递,所以,EHT用硬盘来记录每个望远镜的原始观测数据,再把硬盘寄回数据处理中心。
  超级计算机需要获取相同的信号到达两个望远镜的时刻差(时延)以及时延随着时间的变化快慢(时延率),校正射电波抵达不同望远镜的时间差,最后综合两个望远镜的位置信息、信号的强度以及上述两个参数——时延、时延率,就可以对该天体的射电辐射强度和位置进行分析。
  这个过程中,涉及数据量之多,处理难度之大,都是前所未有的。即使现在人类的运算能力已经非常强大,这张照片还是花费了近两年时间“冲洗”——从2017年4月开始,科学家们用了近两年时间对这些数据进行后期处理和分析。终于,在2019年4月10日发布了首张黑洞照片。
  EHT項目本身还将继续“升级”,还会有更多的观测台站加入EHT,灵敏度和数据质量都将提升。让我们一起期待未来看到M87★和Sgr A★的更高清照片,发现照片背后的黑洞奥秘。
  总之,人类既然已经拍到第一张黑洞照片,那么黑洞成像的春天还会远吗?
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