1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論並,最先預言了黑洞的存在。然而到2017年,相去102年,也沒有人見過它的真實面目,更有人開始質疑黑洞言論的真實性。
2017年4月多個國家終於合作拍攝黑洞,歷史兩年,在2019年4月10日21時公布了人類歷史上首張黑洞照片。該項目觀測核心是銀河系中心黑洞人馬座A和M87橢圓星系中心黑洞。
這時候,有很多要好奇了,為什麼拍攝黑洞需要2年的時間?拍攝黑洞和我們常見的拍照有什麼不同呢?
下面我們便詳細講解下黑洞究竟是什麼樣,為什麼需要兩年的時間才能完成。
黑洞是一種質量很大,密度超大的星體,導致它周圍的時空彎曲曲率超大,就連光也會被完全吸收。
既然黑洞不能發射光線,也會將射入它的光線完全吸收,那麼我們如何能夠看到它呢?其實黑洞能夠完全吸收光線是有一定的範圍的,超過這個範圍的光會變得彎曲,光是有機率逃脫黑洞的抓捕的;這個範圍就是EHT名稱的來源「事件視界」(Event Horizon)。
由於黑洞的引力會吸聚物質到它附近,光的引力勢能的釋放轉化為熱能會使黑洞周圍通常都有一個吸積盤(Accretion disk)環繞。吸積盤非常熱且光亮,與黑洞對比明顯。因此,我們能夠直觀地看到黑洞的照片正是中間黑,外圍有一個亮圈的形狀。
黑洞M87距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。遙遠的距離讓地球上所有的望遠鏡都表示無能為力。首先從觀測角度來說,吸積盤的直徑只有40微角秒,相當於從地球上測量月球表面一個蘋果的直徑。所以,必須需要一個解析度足夠大的望遠鏡才行。
為此,科學家們製造了一個口徑和地球直徑一樣大的望遠鏡。準確地說,是一個遍布全球的射電望遠鏡網絡,由8個分布在歐洲、美洲、南極洲的望遠鏡組成。
我們知道,手機拍攝的一張普通的照片的數據量只有幾兆或者幾十兆大小,手機的處理器處理起來很快。但是8臺望遠鏡獲得的數據遠不是一張普通照片可以相比的。
根據發布會的科學家介紹,我國參與的天文望遠鏡每秒產生的數據就有32G。這麼一個巨量的數據,網絡傳輸實在是太慢,帶寬也不夠。只能夠利用快速讀寫硬碟,把這些數據實時地存儲在硬碟裡面。如果按照觀察10天計算,每臺計算機就會產生:10*24*3600*32=27648000G數據,那麼全球8臺,產生的數據就是221184000G的數據。如此龐大的數據處理和計算,絕對不是十天半個月可以完成的。
虛擬的大望遠鏡陣列並非直接拍出了黑洞的圖像,而是給出了許多數據,一次普通的5天觀測,整個整列就會產生約7PB數據(1PB=1024TB),裝滿1000-2000個超大硬碟。因為數據量龐大得不可能靠網絡傳遞,所以只能用硬碟來記錄原始數據,再把硬碟寄回數據處理中心。
處理和分析海量數據也需要極長時間,各個站點收集的數據都被匯集到美國和德國兩個數據中心,計算機集群要對數據時間進行合併和分析,缺失或模糊的部分,還需要科學家進行拼圖完善。
為達到極高解析度,包括中國科學院下屬的天文臺機構和高校在內的全球13個研究機構都參與進來,開展了大量的研究、校準工作。這個過程中涉及數據量之多,處理難度之大都是前所未有的。即使現在的數據處理能力已經非常強大,這張照片還是花費了近兩年時間才最終面世。