知新科普:天文学家是如何捕捉到第一个黑洞的特写镜头?

文化        2019-10-06   来源:言天聊史
知新科普:天文学家是如何捕捉到第一个黑洞的特写镜头?

一个国际射电天文学家小组终于发布了第一张黑洞的近距离图像。

这个第一次被人类拍摄下来的黑洞,是处女座A星系中心的一个超大质量黑洞(也被称为梅西尔87或M87),它非常巨大!和我们整个太阳系一样宽,即使距离我们的地球5300万光年之外,它在天空中也看起来和人马座A*一样大。人马座A*是我们银河星系中心的一个较小(但仍相当大)的黑洞。

这次黑洞照片的发布是2017年4月开始的一项伟大工程的第一个成果。该工程涉及到地球上的每一台主要的射电望远镜,它们被统称为“事件视界望远镜”。

那么,如果黑洞这样的物体如此巨大,而且望远镜也已经准备妥当,为什么科学家们只是在最近才想出如何对它们进行成像呢?一旦他们弄清楚了,为什么要用两年的时间才能制作出一幅图像呢?

知新科普:天文学家是如何捕捉到第一个黑洞的特写镜头?

简单地回答,第一个问题:这种大小的黑洞非常罕见。每个大星系的中心都被认为只有一个。它们通常非常黑暗,被密集的物质和恒星云所笼罩。即使是最近的一个,在我们自己的银河星系里,也距离地球26000光年。

但是,这张新的图像并没有揭示出人类从黑洞中探测到的第一道光。(而且图像并不像我们通常想象的那样是由光形成的;望远镜发现的电磁波是非常长的无线电波。不过,如果你离黑洞更近一点,你也会看到一个可见光阴影。)。

早在1931年,根据阿玛天文台和天文馆的数据,物理学家卡尔·詹斯基就注意到银河系中心有一个射电波长活动的亮点。物理学家现在强烈怀疑这一点是一个超大质量黑洞。自从这一发现以来,物理学家们一直通过无线电信号探测到其他黑洞。

这次的新发现是,事件视界望远镜拍下了黑洞对周围发光的吸积盘物质(迅速落入黑洞视界的热物质)形成的阴影。这对物理学家来说是令人兴奋的,因为它证实了一些关于阴影应该是什么样子的重要观点,这反过来又证实了科学家们已经对黑洞的看法。

为了对阴影进行成像,天体物理学家必须以前所未有的细节去探测这些无线电波。但是,没有一架射电望远镜能单独做到这一点。但正如哈佛大学天体物理学家、事件视界望远镜(Event Horizon telescope)主任谢泼德·多尔曼在美国国家科学基金会的新闻发布会上说的那样,物理学家们终于想出了如何将所有的射电望远镜连接在一起,组合成一架巨型望远镜。

每台射电望远镜都捕捉到大量的射电光子,但没有足够的细节来发现黑洞被吸积盘包围的阴影。但是,每个望远镜在图像上的视角都有些不同。因此,科学家们费尽心思将稍有不同的数据集结合起来,并在原子钟的帮助下,对射电光子到达不同仪器的时间进行比较。这样,物理学家就能够从大量的噪声中分辨出黑洞的信号。

知新科普:天文学家是如何捕捉到第一个黑洞的特写镜头?

在左边,一张使用钱德拉x射线望远镜拍摄的照片,同时也是事件视界望远镜拍摄的照片,显示了一个穿越Virga a星系的相关射流。右边是视界望远镜拍摄的黑洞阴影图像。

在2017年4月的短短三天时间里,“事件视界望远镜”收集了用于生成图像的实际数据。这总计超过5 Pb(5千兆字节),大约相当于整个美国国会图书馆的信息量。天体物理学家、该项目的合作者之一丹·马龙在新闻发布会上说,它被存储在以吨为单位的大量硬盘中。

由于数据太多了,通过互联网发送数据几乎是不可能的。因此,物理学家们通过传统运输方式运送硬盘,将所有硬盘集中到一个地方。

然后,研究人员用了一年的时间,使用计算机来提炼和解释这些数据,直到这幅黑洞图像出现。在之后的一年里,他们检查结果、写论文。比如,大气中的水、来自其他来源的杂散的射电光子,甚至是望远镜数据中的微小误差,都会使数据混乱。所以,该项目的大部分工作都包括仔细繁复的数学计算,以解释所有这些错误和数据中的噪声。

因此,两年时间的缓慢而细致的工作,终于揭示了隐藏在浩瀚宇宙中神秘黑洞的真面目!


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