人類首張黑洞照片把大家?guī)肓艘粋€(gè)新的世界，于是人們就會(huì)問：人類首張黑洞照片是什么樣子的呢？人類首張黑洞照片怎么拍的？為什么黑洞照片要“沖洗”兩年？人類首張黑洞照片為什么這么模糊？下面就為大家介紹一下這個(gè)不為大家所知的“黑洞”世界。 人類首張黑洞照片 黑洞是什么？ 在說關(guān)于黑洞照片之前，我們要了解什么是黑洞，黑洞到底有什么“魅力”，讓科學(xué)家們“魂?duì)繅?mèng)繞”呢？ 黑洞就是中心的一個(gè)密度無限大、時(shí)空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點(diǎn)和周圍一部分空空如也的天區(qū)。它只允許外部物質(zhì)和輻射進(jìn)入， 而不允許其中的物質(zhì)和輻射脫離其邊界。即使是光也無法逃脫黑洞的引力，因此，人們只能通過引力作用來確定它的存在，所以叫做黑洞，也叫坍縮星。  人類首張黑洞照片怎么拍的？ 我們都知道，北京時(shí)間2019年4月10日晚，人類歷史上首張黑洞照片“沖洗”完成，這張照片是5500萬(wàn)光年外的大質(zhì)量星系M87中心超大質(zhì)量黑洞的黑洞陰影照片，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。這張酷似發(fā)光甜甜圈的照片一經(jīng)公布，引來全球驚嘆，原來傳說中的黑洞就是這個(gè)樣子，黑洞連光都能吸進(jìn)去，也就意味著黑洞周圍連時(shí)光都能扭曲，那么，你們知道人類首張黑洞照片怎么拍的？ 聰明的天文學(xué)家們把地球上現(xiàn)有的一些望遠(yuǎn)鏡“組合”起來，就能夠形成一個(gè)口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。 于是，全球超過200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(EHT)這一重大國(guó)際合作計(jì)劃，決定利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)。 最終，科學(xué)家們選定了來自全球多地的包括南極望遠(yuǎn)鏡等8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡。它們多數(shù)都是單一望遠(yuǎn)鏡，比如夏威夷的JCMT和南極望遠(yuǎn)鏡。也有望遠(yuǎn)鏡陣列，比如ALMA望遠(yuǎn)鏡是由70多個(gè)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。” 第一步，選定目標(biāo) 在組建大型虛擬望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，科學(xué)家們也在尋找著合適的拍攝目標(biāo)。 黑洞剪影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)是非常非常小的。在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個(gè)看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標(biāo)。 科學(xué)家們甄選了一圈之后，決定將近鄰的兩個(gè)黑洞作為主要目標(biāo)：一個(gè)是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個(gè)則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。 由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大。選定的這兩個(gè)黑洞質(zhì)量都超級(jí)大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優(yōu)的成像候選體。 盡管如此被選擇的兩個(gè)黑洞已是最優(yōu)成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。 Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，所對(duì)應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬(wàn)公里，相當(dāng)于17個(gè)太陽(yáng)的大小。然而，地球與Sgr A*相距2萬(wàn)5千光年(約24億億公里)之遙。 這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那么小，就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。 M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大，達(dá)到了60億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。 盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的事件視界對(duì)科學(xué)家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大那么一點(diǎn)兒。 第二步，調(diào)試相機(jī) 要想看清楚兩個(gè)黑洞事件視界的細(xì)節(jié)，事件視界望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。 要多高呢？要比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上。但也別以為，只要虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。 實(shí)際情況并沒那么簡(jiǎn)單!如同觀看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行觀測(cè)至關(guān)重要。 因?yàn)闅怏w在這個(gè)波段的輻射最明亮，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑的大小。 為了增加空間分辨率，以看清更為細(xì)小的區(qū)域，科學(xué)家們?cè)诖舜芜M(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。 這樣設(shè)置是為了要保證所有8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。  8個(gè)望遠(yuǎn)鏡分布區(qū)域 第三步，正式拍攝 8個(gè)望遠(yuǎn)鏡北至西班牙，南至南極，它們將向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，為我們勾勒出黑洞的模樣。 留給科學(xué)家們的觀測(cè)窗口期非常短暫，每年只有大約10天時(shí)間。對(duì)于2017年來說，是在4月5日到4月14日之間。 除了觀測(cè)時(shí)間上的限制，拍攝對(duì)天氣條件要求也極為苛刻。 “因?yàn)榇髿庵械乃畬?duì)這一觀測(cè)波段的影響極大，水會(huì)影響射電波的強(qiáng)度，這意味著降水會(huì)干擾觀測(cè)。” 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員沈志強(qiáng)說，“要想視界面望遠(yuǎn)鏡順利觀測(cè)，需要所有望遠(yuǎn)鏡所在地的天氣情況都非常好。” 按照要求，計(jì)劃選擇的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡所在之處均是位于海拔較高，降雨量極少，全部晴天的概率非常高。此外，要成像成功還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時(shí)間上完全同步。 北京時(shí)間2017年4月4日，事件視界望遠(yuǎn)鏡啟動(dòng)拍攝，將視線投向了宇宙。最后的觀測(cè)結(jié)束于美國(guó)東部時(shí)間4月11日。 觀測(cè)期間，每一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自于目標(biāo)黑洞附近的射電波信號(hào)，這些數(shù)據(jù)然后被集成用于獲得事件視界的圖像。  人類首張黑洞照片后期處理 為什么這張“簡(jiǎn)單”且“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？ 首先，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年，望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量使處理的難度不斷加大。 其次，在數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學(xué)家們還專門開發(fā)了特定的程序和工具。 再次，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們?cè)趦蓚€(gè)不同的地方分別處理、分別驗(yàn)證。全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)是位于美國(guó)的麻省理工學(xué)院，另外一個(gè)是位于德國(guó)的馬普射電所。二者彼此獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗(yàn)證和校對(duì)，保證了最終結(jié)果準(zhǔn)確可靠。  黑洞想象圖 為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？ 黑洞研究歷時(shí)已久，4年前引力波已經(jīng)讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？ 簡(jiǎn)單地說是因?yàn)楹诙磪^(qū)域?qū)嵲谔×?mdash;—而之前望遠(yuǎn)鏡角分辨率或者放大倍數(shù)不夠，在過去幾年中，我們才真正實(shí)現(xiàn)了能夠看到黑洞附近區(qū)域的分辨能力。 其實(shí)，早在2017年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時(shí)間，并且利用望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)中的幾個(gè)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)嘗試，探測(cè)了銀河系黑洞附近的區(qū)域，結(jié)果確實(shí)在亞毫米波段探測(cè)到了周圍的一些輻射，這給了團(tuán)隊(duì)很大的信心。 在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實(shí)存在的電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的——少數(shù)科學(xué)家會(huì)提出一些怪異的理論來作為黑洞的替代物，因?yàn)槲覀儾]有直接觀測(cè)到黑洞的模樣。 2016年探測(cè)到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對(duì)于更傾向于“眼見為實(shí)”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測(cè)到黑洞還是非常讓人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探測(cè)到之后，視界面望遠(yuǎn)鏡并沒有放棄觀測(cè)，反而以全球聯(lián)網(wǎng)的方式，把這一探測(cè)技術(shù)推向了極致。  銀河系中心黑洞想象圖 黑洞照片為什么有點(diǎn)模糊？ 湖南師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院陳松柏教授介紹說，模糊的原因有：望遠(yuǎn)鏡的分辨率、星際氣體的消光效應(yīng)等。 另外，照片中黑洞周圍光的顏色是科學(xué)家根據(jù)光的強(qiáng)度分布添加上去的。由于多普勒效應(yīng)，遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)發(fā)的光亮度偏暗，向我們運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)發(fā)的光偏亮。正如火車向我們駛來時(shí)其汽笛聲的聲調(diào)變高，而離開時(shí)其聲調(diào)變低。因此，由此可以判斷黑洞周圍物質(zhì)繞黑洞的運(yùn)動(dòng)方向。 銀河系中心黑洞周圍氣體的活動(dòng)沒有 M87 的強(qiáng)，產(chǎn)生的射電電磁波沒有 M87 的強(qiáng)，從而影響了它的成像，此外，銀河系的星際氣體的消光效應(yīng)也比較強(qiáng)。 “由于黑洞陰影的精細(xì)結(jié)構(gòu)沒有拍出來，因而盡管可以初步估測(cè)出黑洞的一些參數(shù)（如質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)參數(shù)）和愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的一致，但為其它引力理論留下了一些存在的空間。”陳松柏表示，黑洞照片主要價(jià)值在于拍到黑洞視界的形狀和大小，進(jìn)而可以判斷確定黑洞的參數(shù)（如旋轉(zhuǎn)參數(shù)、質(zhì)量）以及黑洞周圍的磁場(chǎng)等，可以揭秘黑洞從吸積盤吞噬物質(zhì)的過程以及黑洞噴流的直觀圖像，還可幫助我們鑒別不同的引力理論，加深對(duì)宇宙的起源、演化及其加速膨脹等問題的理解，有助于人們揭開宇宙起源這一謎團(tuán)。  黑洞正在吸附其他天體想象圖 人類首張黑洞照片有什么意義？ 1. 對(duì)黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。黑洞是具有強(qiáng)引力的，給黑洞拍照最主要的目的就是在強(qiáng)引力場(chǎng)下驗(yàn)證廣義相對(duì)論，看看觀測(cè)結(jié)果是否與理論預(yù)言一致。 2. 有助于理解黑洞是如何“吃東西”的。黑洞的“暗影”區(qū)域非常靠近黑洞吞噬物質(zhì)形成的吸積盤的極內(nèi)部區(qū)域，這里的信息尤為關(guān)鍵，綜合之前觀測(cè)獲得的吸積盤更外側(cè)的信息，就能更好地重構(gòu)這個(gè)物理過程。 3. 有助于理解黑洞噴流的產(chǎn)生和方向。某些朝向黑洞下落的物質(zhì)在被吞噬之前，會(huì)由于磁場(chǎng)的作用，沿著黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)方向被噴出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，科學(xué)家沒法知道在靠近噴流產(chǎn)生的源頭處發(fā)生了什么。對(duì)黑洞暗影的拍攝，就能助天文學(xué)家一臂之力。  電影星際穿越中的黑洞 黑洞真的可以穿越時(shí)空嗎？ 星際穿越這部電影很多人都看過吧，這是一部講述人類穿越的電影男主在一次意外之中掉入到了黑洞里面，但是最終卻逃了出來。既然黑洞真的存在，那黑洞真的能穿越時(shí)空去往未來或者是回到過去嗎？ 霍金表示人掉進(jìn)黑洞中后，黑洞內(nèi)部會(huì)發(fā)生時(shí)空扭曲，然后人類會(huì)被刀帶到另一個(gè)世界去生活，原來黑洞不只會(huì)吸收一些物質(zhì)，還可以穿越時(shí)空。黑洞也是天體的一種，只不過是已經(jīng)死亡了的天體，黑洞的由于它的體積過大，這也就使得黑洞的引力相對(duì)來說也比較的大，所以靠近黑洞的一切都會(huì)被黑洞所吸引，這也就是為什么黑洞被人類覺得恐怖的原因之一。因?yàn)楹诙从兄鴱?qiáng)大的引力，如果人類靠近黑洞邊緣的話，只有一種可能，那就是會(huì)非常大的引力所吸引，然后被牽扯最終會(huì)被撕碎成粒子，然后掉入黑洞中想要出來，那是根本就不存在的事情。 而從另一方面來說，黑洞之所以能夠扭曲時(shí)空，就是因?yàn)楹诙锤浇乃俣群凸馑偈且粯拥模@也就感覺黑洞像是靜止的一樣，所以在黑洞周圍的物體看起來都會(huì)非常的慢，比如在電影中，靠近黑洞的一小時(shí)就相當(dāng)于地球上的7年，所以如果要靠近黑洞的話，似乎像是永遠(yuǎn)停留在了黑洞的事件視界的邊緣一樣。可能在黑洞附近你停留幾秒鐘，可能在地球上就會(huì)是幾百年甚至幾千年的時(shí)間，這就是為什么很多科學(xué)家覺得靠近黑洞之后會(huì)實(shí)現(xiàn)穿越的原因。 但是，以目前的科技發(fā)展水平，人類連靠近黑洞都非常的難，更別說星際穿越了。 延伸閱讀： 為什么太空沒有氧氣_隕石為什么能燃燒？ 為什么用猴子作為太空實(shí)驗(yàn)動(dòng)物？ 為什么星星的位置會(huì)變化_星星的位置如何改變？ 彗星為什么會(huì)有尾巴_彗星為什么叫掃把星？ 火星為什么是紅色的？ |
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