人類首張黑洞照片,來自5400萬光年外,全球8個射電望遠鏡

2020-12-05 傲來知趣

4月11日,一張拍攝於5400萬光年外的照片向世人公布,一個質量約為太陽65億倍的黑洞呈現在眾人面前。這也是人類拍攝到的首張黑洞照片,位於遙遠的M87星系的中心。

為了這首張黑洞照片的拍攝,科學家們動用的全球不同地區的8個射電望遠鏡,並將它們組成虛擬望遠鏡網絡「事件視界望遠鏡」(EHT)陣列

事件視界望遠鏡由位於四大洲的8臺射電望遠鏡所組成,圖中的黃色線條為連接這些望遠鏡的「基線」,由此構成了一架和地球大小相當的望遠鏡。

這個黑洞的質量大約是太陽質量的65億倍。儘管如此,從地球上較有利的位置看,它依然非常微小,在天空中只有50微弧秒寬,就相當於看一個放在月球上的甜甜圈。它需要8個不同的望遠鏡才能成像。望遠鏡收集的觀測數據以十億分之一秒的精度同步。

為了看清黑洞的明暗邊界,天體物理學家們捕捉到了無線電波,人類肉眼看不見的1.3毫米波長的光,由環繞黑洞旋轉的氣體發出。這些氣體發出各種波長的光,包括可見光,但研究人員選擇了這一特定波長,因為它可以在不被吸收的情況下穿過整個星系,甚至穿過地球大氣層。不過,要想在所有8個望遠鏡所在的地點看到黑洞,還是需要良好的天氣。費婭爾·厄澤爾表示,在開啟望遠鏡之前,他們必須監測空氣中的溼度,過高的溼度會破壞成像效果。為了減少雨水的影響,研究人員在乾燥地區建造瞭望遠鏡,包括南極洲的南極點和智利的阿塔卡馬沙漠。

8個射電望遠鏡之一,南極望遠鏡

將如此巨大的望遠鏡所拍攝出來的照片「衝洗」出來呈現給世人,足足花費了兩年之久。由於數據量太過龐大,2017年時8個望遠鏡的數據量達到了10PB(=10240TB),2018年又增加了格陵蘭島望遠鏡,數據量繼續增加。龐大的數據量為處理讓數據處理的難度不斷加大。另外,在數據處理的過程當中,科學家也遭遇了不少技術難題,黑洞附近的物質處於一種極端環境當中,其運動狀態有著非常大的不確定性,為了解決這些問題,科學家們還專門開發了特定的程序和工具。最後,為了保證結果的準確性,科學家們在兩個不同的地方分別處理、分別驗證。全世界範圍內設立了兩個數據中心,一個是位於美國的麻省理工學院,另外一個是位於德國的馬普射電所,二者彼此獨立地處理數據,也彼此驗證和校對,保證了最終結果的可靠。

科學家進行了數百萬次這樣的模擬

到目前為止,科學家們所觀察到的M87黑洞的一切都與愛因斯坦的理論相一致。但未來更詳細的觀測可能會揭示出許多意想不到的特徵。根據理論計算,如果黑洞旋轉的速度足夠快,那麼它們就會在時空中形成一個蟲洞。未來的黑洞圖像可能有助於證實或駁斥這些假設。研究人員期待著有一天,當圖像足夠清晰時,可以看到一個黑洞及其相關的蟲洞。「這真的是非常,非常奇特而科幻的東西,而我們可能有朝一日將看到它」。

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