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连光都无法逃走的黑洞是怎么拍的?
发表于:2019-12-07 10:17 分享至:

广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的黑影被一圈光子圆环围困,由于旋转效答,黑洞左侧更亮。 2017年4月参添EHT不都雅测的8个VLBI台站 VLBI原理:多个看远镜可等效成一台孔径更大的看远镜

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广义相对论预言,将会看到一个近似圆形的黑影被一圈光子圆环围困,由于旋转效答,黑洞左侧更亮。 2017年4月参添EHT不都雅测的8个VLBI台站 VLBI原理:多个看远镜可等效成一台孔径更大的看远镜

倘若要评选出2019年最有价值和最受憧憬的照片,那么非下面这张照片莫属。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片,也是人类拍摄的首张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据,从强引力场的角度验证了喜欢因斯坦广义相对论。

这张照片于2017年4月拍摄,两年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界看远镜(Event Horizon Telescope, EHT)配相符布局融合召开全球六地说相符发布。

看不见的黑洞如何表明它存在?

一百多年前,喜欢因斯坦挑出广义相对论,将引力视为时空扭曲的效答。他的方程预言,一个幼而重的物体能暗藏在事件视界(event horizon)之内,在视界内,其引力富强到连光都无法逃走,这个物体就是黑洞。几乎一切的星系中心都存在黑洞,在那里它们能够成长到太阳质量的数百万或者数十亿倍。

在这次拍照前,主要有三类代外性证据能够外明黑洞的存在:

1. 恒星、气体的行动泄露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,能够经由过程不都雅测这栽影响来确认黑洞的存在。

2. 按照黑洞吸积物质(科学家们把这个过程比喻成“吃东西”)发出的光来判定黑洞的存在。在黑洞强引力的作用下,周围的气体就会向黑洞着落,在距离黑洞几百到几万倍事件视界的地方形成一个发光的腰带——吸积盘。以超大质量黑洞为例,倘若把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆,清淡星系就相等于一个身高5万米的巨人吉林快三最新开奖,虽说黄豆般大幼的活跃黑洞比巨人般的星系幼千万倍吉林快三最新开奖,但每秒钟发出的能量却还要强许多。这栽幼尺寸、大能量的性质使吾们猜想它很能够是黑洞。

3. 经由过程看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。激光干涉引力波天文台(LIGO)探测的五次引力波都对答了恒星级质量黑洞的并相符事件吉林快三最新开奖,见证了更幼的黑洞借助并相符成长为更大黑洞的过程。这类引力波的发现,也是吾们猜想黑洞存在的证据之一。

广义相对论预言,由于黑洞的存在,周围时空曲曲,气体被吸引着落。气体着落至黑洞的过程中,引力能转化为光和炎,因此气体被添炎至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片相通发光气体的清明区域内,事件视界看首来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如眉月状的光环。鉴于黑洞的自旋及与不都雅测者视线倾向的分别,光环的大幼约为4.8-5.2倍史瓦西半径(史瓦西半径,指异国自旋的黑洞的事件视界半径。)

给黑洞拍照不止是为了“现在击为实”

给黑洞拍照,有三个科学意义:

1. 对黑洞阴影的成像将能挑供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的,给黑洞拍照最主要的主意就是在强引力场下验证广义相对论,看看不都雅测终局是否与理论预言相反。

2. 有助于理解黑洞是如何“吃东西”的。黑洞的“黑影”区域专门挨近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域,这边的新闻尤为关键,综相符之前不都雅测获得的吸积盘更外侧的新闻,就能更益地重构这个物理过程。

3. 有助于理解黑洞喷流的产生和倾向。某些朝向黑洞着落的物质在被吞噬之前,会由于磁场的作用,沿着黑洞的转动倾向被喷出往。以前搜集的新闻多是更大尺度上的,科学家没法清新在挨近喷流产生的源头处发生了什么。对黑洞黑影的拍摄,就能助天文学家一臂之力。

黑洞照片答该是如许:圆形阴影 光环

一百年前,喜欢因斯坦广义相对论挑出后不久,便有科学家探讨了黑洞周围的光线曲曲表象。上世纪70年代,James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。上世纪90年代,Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序,模拟出银河系中心黑洞Sgr A*的样子,引入了黑洞“阴影”的概念。

理论预言,受黑洞强引力场的影响,黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞曲曲,使得天空平面(与视线倾向垂直的面)被黑洞“视边界”(apparent boundary)的圆环一分为二:在视边界圆环以内的光子,只要在视界面以外,就能逃离黑洞,但受到很强的引力红移效答,亮度矮;而视边界圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度有余高。

从视觉上看,视边界内侧的亮度清晰更弱,看首来就像一个圆形的阴影,外观围困着一个清明的光环。故此也得名黑洞 “阴影”(black hole shadow)。这个阴影有多大呢?史瓦西黑洞的阴影直径是视界直径的5.2倍;倘若黑洞转得快,阴影直径也有约4.6倍视界半径。如此看来,黑洞视边界的尺寸主要与黑洞质量有相关,而与黑洞的自转相关不大。

后来,更多科学家针对黑洞成像开展了大量的钻研,均预言黑洞阴影的存在。因此,对黑洞阴影的成像能够挑供黑洞存在的直接“视觉”证据。

八位拍写真的“摄影师”

为了捕获第一张黑洞图像,以前的十年多时间里,麻省理工学院的天文学家们说相符了其他机构的同走们,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*睁开亚毫米波段不都雅测,这些看远镜统称为“事件视界看远镜”(Event Horizon Telescope,EHT)。

由于EHT此次不都雅测的波段在1.3毫米,容易受地球大气的水汽影响,因此这些亚毫米波看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。

参与此次不都雅测的包括位于世界六个地点的八个台站。其中由于位置的局限,位于南极的SPT看远镜无法不都雅测到M87*。以是参与不都雅测M87*的看远镜实际上是七台。

给黑洞拍写真真的太难了

给黑洞拍照难不难?肯定难。不然吾们不会到今先天拍出第一张照片。

在这个过程中,有三座难以逾越的大山:黑洞阴影的“幼”、技术请求极高的不都雅测波段、复杂的数据处理。而面对这些难点,天文学家们发挥灵敏,拿出了不少答对的妙招。

解决黑洞阴影的“幼”必要两个靠谱选择

为晓畅决这个题目,必要保证两个“靠谱”——拍照模特靠谱、看远镜的实力靠谱。

黑洞阴影实际看首来的大幼主要与两个因素相关——实际的大幼、黑洞到地球的距离。

一个1米之外的乒乓球(直径40毫米)和一个百米之外的4米长杆看首来相通高。以是在看远镜拍照能力有限的情况下,想要拍摄一张益照片,肯定要找一个“靠谱”的拍照模特,它的角尺寸看首来很大。

而黑洞阴影的实际大幼与黑洞的质量相关,黑洞质量越大,黑洞阴影越大;再综相符距离因素,你会发现选择临近的超大质量黑洞是个明智之选。银河系中心的黑洞Sgr A*和星系M87的中心黑洞便是两个益模特。

Sgr A*是地球上能够不都雅测到的最大的黑洞,质量是400多万倍太阳质量,对答的视界半径是1300多万千米,“视边界”的半径约3300多万千米,它到地球的距离是26000光年,“视边界”看首来的角尺寸约为0.00005角秒(50微角秒,1角秒相等于100万微角秒)。要清新,从地球上看满月的尺寸约为30角分(1角分等于60角秒),50微角秒就相等于从地球上看月球上一个橘子大幼的物体。

而黑洞M87*,尽管质量比Sgr A*质量大了约1500倍,但距离却远了2000多倍,使其成为第二大黑洞,黑洞阴影的大幼约为40微角秒。

值得一挑的是,由于对M87中心黑洞质量的分别测量手段(气体动力学VS.恒星动力学)所得终局差了近两倍,意味着黑洞阴影的大幼有能够幼于40微角秒,甚至矮于此次EHT所能分辨的能力极限。因此从这个角度看,M87*的阴影拍摄成功,真是幸运,并为M87*黑洞的质量挑供了局限。

拍摄黑洞照片所用到的看远镜的灵敏度和分辨本领很主要,这也是描述看远镜实力的两大要素。两者均对射电看远镜的口径挑出了请求,看远镜的口径越大,其灵敏度越高,分辨本领越高。此外,分辨本领还和不都雅测波段相关。

由于射电看远镜所授与光的波长是可见光波长的上千成万倍,为了达到同样的分辨率,射电看远镜得比光学看远镜大上上千万倍。因此,口径为百米级的射电看远镜所能达到的分辨率甚至还远不敷喜欢益者们行使的光学看远镜。

天文学家对高分辨率的渴求,并异国止步于射电看远镜单天线。甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry; VLBI)技术解决了射电看远镜实现高分辨本领的难题。

所谓VLBI技术,就是当相隔两地的两架射电看远镜同时不都雅测来自联相符天体的射电波,按照各自自力的时间标准,将天体的射电波记录下来,然后再将这两个记录一首送入处理机进走相关处理,终极分析获取该天体的射电辐射强度和位置。

要成像成功必须请求一切看远镜在时间上十足同步,当EHT的每个看远镜都能在时间上同步时,记录到的信号就能被完善地修整聚焦。倘若镜面担心详,譬如会波动的话,逆射的光线将无法实在聚焦。EHT行使氢原子钟来确保记录的安详性。原子钟能精准到每数亿年才偏差一秒。

值得一挑的是,该VLBI技术也成功行使于吾国嫦娥探月工程的探测器的测定位。

射电干涉技术的成功实走使得看远镜阵列的角分辨率相较于单独每架看远镜更高,灵敏度也更高。VLBI网络便是行使这一技术,让处于分别地理位置的多个射电看远镜说相符首来,构成一个看远镜不都雅测网络,同时对一个天体进走不都雅测。

实现高技术不都雅测波段:1毫米 高精度看远镜

按照理论预言,黑洞周围气体在1毫米附近的辐射强度最高,而且最关键的是,1毫米附近是个比较清洁的不都雅测窗口,被同步自吸取等的作用大大削弱,黑洞周围气体的辐射变得透明。2017年EHT不都雅测Sgr A*和M87*所基于的窗口便是1.3毫米,异日还期待用0.8毫米。

既然理论预言甚至预言出的照片很早便存在,VLBI技术也并非近十年才有的,那为何黑洞照片现在才诞生呢?

主要瓶颈其实在不都雅测窗口——1毫米旁边。这栽对不都雅测波段的极高请求,其实就意味着对看远镜性能的极高请求。

要让EHT实现最佳性能,除了要行使VLBI技术,还有一点很主要——每个看远镜必须性能有余益。

EHT的每架射电看远镜内心上就是一架大口径的抛物面天线,就像卫星天线锅。为了保证射电看远镜的天线在不都雅测波段内平常不都雅测,天线在技术上有个门槛,添工精度必须有余高,其偏离抛物面的水平最多只能与不都雅测波长相差5%。

因此,能够意料,不都雅测毫米波比不都雅测厘米波所请求的天线添工精度更高,添工难度更大。行家也不难发现,参与EHT的八台看远镜有效口径大多为十几米,最大不过73米。

由此可见,按照分别科学需求,看远镜必须在大和精上作出权衡,不及一味地探索大;倘若你的科学需求是想在毫米波不都雅测天体,却一味地探索口径做大,但无法保证抛物面精度,终局根本就没法实现毫米波信号的有效聚焦,这架看远镜就算不上成功的作品。

“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,多台设备同时不都雅测和记录,然后将数据汇总到一首分析。2017年4月份的不都雅测中,八个台站在五天不都雅测期间共记录约3500 TB的数据(1TB等于1024GB,相等于500幼时的高清电影)。

由于数据量重大得不能够靠网络传递,以是EHT用硬盘来纪录每个看远镜的原首不都雅测数据,再把硬盘寄回数据处理中心。

超级计算机必要获取相通的信号到达两个看远镜的时刻差(时延)以及时延随着时间的转折快慢(时延率),校正射电波抵达分别看远镜的时间差,末了综相符两个看远镜的位相新闻、信号的强度以及上述两个参数——时延、时延率,就能够对该天体的射电辐射强度和位置进走分析。

这个过程中涉及数据量之多,处理难度之大都是史无前例的。即使现在人类的运算能力已经专门富强,这张照片照样消耗了近两年时间“冲洗”——从2017年4月最先,科学家们用了近两年时间对这些数据进走后期处理和分析。终于,在前天发布了首张黑洞照片。

银河系中心黑洞Sgr A*的照片即将出炉

在为黑洞拍照的过程中,中国科学家异国缺席。吾国科学家永远关注高分辨率黑洞不都雅测和黑洞物理的理论与数值模拟钻研,在事件视界看远镜(EHT)国际配相符形成之前,就已开展了多方面具有国际表现度的相关做事。

在此次EHT配相符中,吾国科学家在早期EHT国际配相符的推动、EHT看远镜不都雅测时间的申请、夏威夷JCMT看远镜的不都雅测、后期的数据处理和终局理论分析等方面做出了中国贡献。

1.机构参与

EHT是一个多年国际配相符的终局,科学家们挑供了钻研宇宙中最极端天体的新手段。EHT的建设和宣布的不都雅测终局源于数十年不都雅测、技术和理论做事的坚持和积累。这与来自世界各地的钻研人员的亲昵配相符是分不开的,是全球团队配相符的典范。13个配相符机构共同创建了EHT,行使了既有的基础设施并获得了各栽机构的声援。主要资金由美国国家科学基金会(NSF)、欧盟欧洲钻研理事会(ERC)和东亚资助机构挑供。

这一激动人心的收获受到了中国科学院天文大科学中心(国家天文台、紫金山天文台和上海天文台)的声援。天文大科学中心是EHT的一个配相符机构(EHT共有三个配相符机构)的成员。上海天文台牵头布局融合国内学者经由过程该配相符机构参与此次EHT项现在配相符。

2.看远镜参与

想要行使VLBI技术构成一个等效口径有余大、灵敏度有余高的看远镜,必要在全球各地普及地分布有余多的这类看远镜。以前十年中,技术的突破、新射电看远镜不息建成并添入EHT项现在、算法的创新等,终于让天文学家们掀开了一扇关于黑洞和黑洞视界钻研的崭新窗口。

此次参与到EHT不都雅测的JCMT现在由中科院天文大科学中心参与的一个EHT配相符机构负责运营。由于不都雅测波段的局限,正式不都雅测基于的不都雅测波段是1.3毫米。

位于中国大陆的射电看远镜未参与正式的不都雅测,但在前期说相符不都雅测(2017年3-5月的全球说相符不都雅测)中,上海65米天马看远镜和新疆南山25米射电看远镜行为东亚VLBI网成员共同参与了浓密的毫米波VLBI协同不都雅测,为终极的M87*黑洞成像挑供了总流量的局限。

参与此次EHT不都雅测的上海天文台行家相反外示,对M87*黑洞的顺当成像绝不是EHT的尽头站。一方面,对于M87*的不都雅测终局分析还能更添深入,从而获得黑洞周围的磁场性质,对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关主要。另一方面,行家翘首以待的银河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出炉了。

EHT项现在自己还将不息“升级”,还会有更多的不都雅测台站添入EHT,灵敏度和数据质量都将升迁。让吾们一首憧憬异日看到M87*和Sgr A*的更高清照片,发现照片背后的黑洞稀奇。

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?

文/左文文(中国科学院上海天文台)

图文感谢科学大院公多号

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