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黑洞照片怎么拍的你知道嗎?
時間:2019-04-11 11:25   來源:今日頭條   責任編輯:莫小煙

川北在線核心提示:原標題:黑洞照片怎么拍的你知道嗎? 據中國科學院發布消息,北京時間4月10日21點整,人類首張黑洞照片即將在全球六地同步發布。 多年來,事件視界望遠鏡(EHT)一直凝視著銀河系的中心,試圖獲得一張人馬座A*位置的照片,這是我們銀河系中心特大的質量黑洞。 我們知道黑


  原標題:黑洞照片怎么拍的你知道嗎?
 
  據中國科學院發布消息,北京時間4月10日21點整,人類首張黑洞照片即將在全球六地同步發布。
 
  多年來,事件視界望遠鏡(EHT)一直凝視著銀河系的中心,試圖獲得一張人馬座A*位置的照片,這是我們銀河系中心特大的質量黑洞。
 
  我們知道黑洞本身實際上是不可見的,它們吸收所有的電磁輻射,這意味著我們的任何望遠鏡都無法探測到它們。
 
  那這次為什么可以得到一張照片呢,這張照片是怎么來的呢?
第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  黑洞模擬圖

  為什么沒有黑洞照片

  盡管黑洞在科學中是那么迷人,那樣激發人的想象力,但沒有哪位天文學家真正見過黑洞。

  黑洞是由大質量恒星自身坍縮而形成的,揭示了物理學的極限,是有著無限大密度,無限小體積的天體。沒有任何東西可以逃脫,即使是光。

  天文學家推測,一些黑洞可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。

  試圖觀察黑洞的最大問題是,即使是超大質量黑洞(質量是太陽的數百萬倍)也相對較小。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  我們天空中最大的黑洞是銀河系中心的黑洞, 給它拍照就相當于在月球表面拍一張DVD。

  更重要的是,由于黑洞的強大引力,它往往被其他明亮的物質包圍,這使得很難看到物體本身。

  這就是為什么在尋找黑洞時,天文學家通常不會嘗試直接觀測。相反,他們尋找黑洞引力和輻射影響的證據。

  通常測量恒星和氣體的軌道,這些恒星和氣體似乎圍繞著天空中非常暗的‘點’旋轉,再測量那個暗點的質量。

  如果測量的“點”(天體),得到質量比我們測量其他天體都大,而且顏色更黑暗,那么就會被認為這是一個黑洞。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  在我們星系中心的大黑洞周圍甚至可能有多達20000個較小的黑洞。

  黑洞只有在消耗物質時才會釋放x射線,但這些吞噬一切的黑洞實際上非常罕見。更常見的情況是,黑洞仍然無法被探測到。

  所以我們現在看到的很多黑洞的照片,只能說是藝術加工想象出來的圖片。

  但是,從理論上看,看到視界(黑洞的邊界稱)是可能的,盡管并不容易。視界是黑洞外的一點,在那里光不再能達到逃逸速度。

  但這個視界很可能被一個吸積盤所包圍,吸積盤是圍繞黑洞旋轉的一個明亮的、能量極高的物質環。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  事件視界望遠鏡分布

  這張照片如何拍攝的

  我們銀河系的中心,在人馬座和天蝎座的邊界附近,存在著一個超大質量黑洞。

  這個被稱為人馬座A* (Sgr A*)的時空吞噬區域橫跨2700多萬英里的距離,據估計有一個吸光核心,是太陽質量的400萬倍。

  由于它與地球的距離相對較近,相隔“只有”26,000光年,它也是少數幾個被觀測到影響附近物質流動的黑洞之一。

  準確的說,不是直接拍攝銀河系中心的黑洞。實際上是要給它的影子拍張照片。它的側影將在銀河系中心輻射的背景下滑動。這張照片將首次揭示黑洞的輪廓。

  盡管人馬座A* 的體積巨大,但它離我們足夠遠,所以對任何一臺望遠鏡來說,捕捉到它都是巨大挑戰。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  人馬座 A*(Sgr A*)

  或許需要比哈勃太空望遠鏡分辨率高1000倍以上才能完成。不過,天文學家決定創造更大的望遠鏡——整個地球。

  2018年4月,天文學家同步了全球射電望遠鏡網絡,以觀察人馬座A*的直接環境。

  這就是事件視界望遠鏡(EHT),一個虛擬的行星大小的天文臺,能夠在很遠的距離捕捉到********的細節。

  如果真正去建立一個巨大望遠鏡,這樣的遠鏡可能會在自重下崩潰,所以組合了八個天文臺,就像巨型鏡子的碎片。

  這給了我們一個和地球一樣大的虛擬望遠鏡——直徑大約10000公里。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  哈珀太空望遠鏡

  “拍攝”及處理遇到的挑戰

  八個天文臺的射電望遠鏡以原子鐘的超高精度相互鎖定,捕捉到了大量關于人馬座A*的數據。

  據歐洲南方天文臺稱,它的阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡(ALMA)是視界望遠鏡的合作伙伴之一,僅它就記錄了超過1pb的黑洞信息。

  由于信息數據巨大,無法通過互聯網傳送,物理硬盤需通過飛機運送,然后輸入位于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院海斯塔克天文臺(MIT Haystack Observatory)和德國波恩市馬普射電天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)的計算集群(稱為相關器)。

  然后研究人員必須整理和分析這些數據,之后就是等待了計算機結果。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  海斯塔克天文臺

  在處理第一張“照片”的道路上第一個障礙是駐扎在南極洲的第八個參與射電望遠鏡。

  由于從2月到10月不可能有航班,南極望遠鏡捕捉到的最終數據集實際上是被“冷藏”起來的。2017年12月13日才到達了海斯塔克天文臺。

  在磁盤預熱之后,它們將被加載到回放驅動器中,并與其他7個天文臺的數據進行處理。

  從而完成地球大小的虛擬望遠鏡,連接南極、夏威夷、墨西哥、智利、亞利桑那和西班牙的磁盤。

  完成記錄比較需要大約3周的時間,之后可以開始對2017年EHT數據進行最終分析!

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  最終的分析持續了整個2018年,由200多名研究人員組成的研究小組仔細研究了收集到的數據,并解釋了可能會降低視界圖像質量的任何誤差來源(如地球大氣中的湍流、隨機噪聲、假信號等)。

  他們還必須開發和測試新的算法,將數據轉換成“天空中無線電輻射的地圖”。

  好消息是現在等待已經進入倒計時,就在今晚,我們可以凝視宇宙中最迷人和可怕的天體之一的不祥陰影了。

  這張黑洞照片可能證明愛因斯坦是錯的

  那么,一旦數字運算完成,我們會看到什么呢?有趣的是,一些科學家認為它可能看起來像電影《星際穿越》中精心制作的黑洞。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  電影《星際穿越》中的黑洞

  然而,與那個特殊例子中令人賞心悅目的壯觀景象不同的是,人們預計視界所產生的光將是不對稱的,而不是均勻的。

  正是在這些觀測中,愛因斯坦的廣義相對論將面臨考驗。

  通過照片我們能知道黑洞具有事件視界(一種時空的曲隔界線)的觀點是否正確,以及對黑洞陰影的定量預測是否正確。

  如果廣義相對論在某種程度上是錯誤的,那么我們最終應該能夠從它的預測中看到偏差,比如我們星系大黑洞的陰影形狀和行為。

第一張黑洞照片是怎么拍攝出來的呢?

  無論最終公布的圖像是什么,它可能只會加深圍繞這些神秘天文現象的疑問和敬畏,僅僅是工程本身就引發了這一歷史性時刻。

  這是一個挑戰,做一些從來沒有嘗試過的事情,這是通往黑洞冒險之旅的開始。

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