國家天文臺研究員為你揭秘 人類首張黑洞照被「美圖」過

國家天文臺研究員為你揭秘 人類首張黑洞照被「美圖」過

金羊網-新快報  作者：吳曉嫻  2019-04-12

■這是人類史上首張黑洞照片。新華社發

4月10日晚上9時,人類史上首張黑洞照片在中國上海和臺北、比利時布魯塞爾、智利聖地牙哥、日本東京和美國華盛頓全球六地同時對外發布,這是人類首次通過圖像直觀地看到黑洞,也再一次印證「愛因斯坦又對了」。

這張照片呈現出的是一個橙色的光環,環內的中心和環外的區域都是黑色。由於圖像並不是很清晰,有網友調侃道「以為自己的近視度數又加深了」。然而你知道嗎,這張照片甚至不是黑洞真正的樣子,而只是一張「偽色圖」。

帶著對這張意義重大的黑洞照的疑問,新快報記者採訪了國家天文臺研究員、中國科學院大學教授苟利軍。

苟利軍昨晚第一時間觀看了黑洞照片的發布過程。他直言,儘管之前見過很多黑洞的模擬圖,但是見到真正的圖像,還是很激動的。「有種模糊的美,又很可愛的樣子。」他如是讚嘆。

■新快報記者 吳曉嫻

獨立測量M87中心黑洞質量

問:這張黑洞照片和你想像的一樣嗎?它的發布意味著什麼?

答:還是跟想像當中一樣的。愛因斯坦的廣義相對論描述了宇宙中的很多事物,黑洞本身和它周圍的運動都可以用廣義相對論的場方程來描述。之前廣義相對論已經得到了大量的驗證,這次是對其再一次驗證。

我們注意到,這個圓環的一側亮一些,另一側暗一些,原因在於吸積盤的運動效應。因為都卜勒效應的存在,朝向我們視線運動的區域會變得更亮,而遠離我們視線運動的區域會變暗。中間黑色的區域就是黑洞本身——光線無法逃離之處。這個效應在這張圖上得到了很好的體現。

此次發布的是位於星系M87中心的黑洞照片,這個黑洞有非常強的噴流現象,據此可以知道吸積盤大概轉動的方向,因為它的方向通常而言跟噴流的方向差不多是平行的,也可以推斷出噴射物質的方向,就在圖右上的方向。

另外,可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質量。這次就對M87中心的黑洞質量做出了一個獨立的測量。在此之前,精確測量黑洞質量的手段非常複雜。

只反映了黑洞周圍輻射空間分布

問:黑洞照片有經過「美圖」嗎?

答:這是肯定的,但是跟我們平常說的美圖不一樣,這是一個數據處理的過程。因為觀測是在射線波段,並不是通常意義上的光學波段,所以要把這個不可見的電子射線波段轉化成肉眼可見的光學波段圖像,要經過一系列的轉換。而且這個顏色其實是一種「偽色」,也就是假的顏色,假定不同的強度對應著不同的顏色,就能夠得到一幅「偽色圖」——圖中的顏色很可能是科學家根據個人喜好自行設定的顏色。它不反映黑洞真實的顏色,只是反映了黑洞周圍輻射的空間分布。

更多望遠鏡加入能探測到更多細節

問:為什麼首張黑洞照片比較模糊?如何得到更清晰的照片?

答:這個清晰程度取決於多方面的因素,一方面是取決於望遠鏡的解析度,可以通過提高像素點的方式,來提高清晰的程度。儘管現在的亞毫米望遠鏡基線已經達到了1萬公裡,然而空間解析度剛達到黑洞視界面的尺寸,所以在科學家們觀測的有限區域內,就相當於只有有限的幾個像素。

在《星際穿越》電影當中,天文學家基普·索恩設想的黑洞形象——包括吸積盤的許多具體細節——都通過技術手段呈現了出來,然而在真實的情況下,我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。

另外,現在可以觀測的望遠鏡個數非常有限。如果未來將更多望遠鏡加入到這個陣列,我們就能探測到更弱的輻射區域,看到更多的細節,得到一張更加清晰的黑洞照片,更深入地了解黑洞周圍的氣體運動、區分噴流的產生和集束機制,完善對星系演化的認知與理解。

氣體散射影響銀河系黑洞觀測結果

問:此次公布的是M87的黑洞照片,科學家事實上還觀測了銀河系中心黑洞SgrA* 的數據,為什麼沒有公布出來?

答:M87中心黑洞附近氣體活動比較劇烈,我們之前已經觀測到了它所產生的強烈噴流,相較之下,銀河系黑洞的活動不那麼劇烈。

另外一個很重要的原因是,太陽系處在銀河系的銀盤上,在我們試圖利用視界面望遠鏡探測來自於黑洞周圍的輻射或光子的時候,這些光子會受到傳播路徑上星際氣體的影響——氣體會散射這些光子,將觀測結果模糊化。

M87是一個包含氣體很少的橢圓星系,受到的氣體幹擾相對少很多,科學家們可以比較順利地進行觀測。我們在大氣層之內觀測天體時也會有類似情況,因為大氣擾動的緣故,望遠鏡的解析度有時很難達到理想狀況。消除星際氣體散射的效應是科學家接下來需要克服的一個重要難題。

全球聯網方式助力「看」到黑洞

問:四年前引力波已經讓我們「聽」到了來自黑洞合併的聲音,為什麼直到今天我們才「看」到黑洞的照片?

答:因為黑洞區域實在太小了,之前望遠鏡的角解析度或者放大倍數不夠大,在過去的幾年中,我們才真正實現了能夠看到黑洞附近區域的分辨能力。

2016年探測到的雙黑洞合併產生的引力波,更讓人們相信黑洞的存在。但引力波是類似於聲波的「聽」的方式,而電磁方式是一種「看」的方式,更加直觀。所以,在2016年初引力波被直接探測到之後,視界面望遠鏡並沒有放棄觀測,以全球聯網的方式,把這一探測技術推向了極致。

知識小連結

1黑洞吸積盤

黑洞周圍的氣體在黑洞強大的引力作用下,會朝向黑洞下落。這個過程被稱作「黑洞吸積」。由於氣體具有一定的角動量,這些氣體下落過程中會形成一個盤,如同太陽系的各大行星軌道平面一樣,這就是黑洞吸積盤。

2射電望遠鏡

人類首次拍到黑洞照片的EHT則是通過「甚長基線幹涉技術」(VLBI) 和全球多個射電天文臺的協作,構建一個口徑等同於地球直徑的「虛擬」望遠鏡——事件視界望遠鏡。

射電望遠鏡和光學望遠鏡都是觀察天體發出的電磁波,而區別在於它們所接收的電磁波波長不同,射電望遠鏡接收的是無線電波,而光學望遠鏡接收的是可見光。望遠鏡所能分辨的最小張角,是評估望遠鏡的重要指標之一。望遠鏡的口徑越大,能分辨的張角就越小。

射電望遠鏡觀測的波長為30m—1mm,而這個波長的電磁波不會被天氣所影響,射電望遠鏡可以透過雲層,不受氣象條件的影響,白天夜晚都可以觀測,具有全天候工作的能力,大大擴展了人類對宇宙空間的觀測範圍。

編輯： 寶厷