知新科普:天文學家是如何捕捉到第一個黑洞的特寫鏡頭?

知新科普:天文學家是如何捕捉到第一個黑洞的特寫鏡頭?

一個國際射電天文學家小組終於發佈了第一張黑洞的近距離圖像。

這個第一次被人類拍攝下來的黑洞,是處女座A星系中心的一個超大質量黑洞(也被稱為梅西爾87或M87),它非常巨大!和我們整個太陽系一樣寬,即使距離我們的地球5300萬光年之外,它在天空中也看起來和人馬座A*一樣大。人馬座A*是我們銀河星系中心的一個較小(但仍相當大)的黑洞。

這次黑洞照片的發佈是2017年4月開始的一項偉大工程的第一個成果。該工程涉及到地球上的每一臺主要的射電望遠鏡,它們被統稱為“事件視界望遠鏡”。

那麼,如果黑洞這樣的物體如此巨大,而且望遠鏡也已經準備妥當,為什麼科學家們只是在最近才想出如何對它們進行成像呢?一旦他們弄清楚了,為什麼要用兩年的時間才能製作出一幅圖像呢?

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簡單地回答,第一個問題:這種大小的黑洞非常罕見。每個大星系的中心都被認為只有一個。它們通常非常黑暗,被密集的物質和恆星雲所籠罩。即使是最近的一個,在我們自己的銀河星系裡,也距離地球26000光年。

但是,這張新的圖像並沒有揭示出人類從黑洞中探測到的第一道光。(而且圖像並不像我們通常想象的那樣是由光形成的;望遠鏡發現的電磁波是非常長的無線電波。不過,如果你離黑洞更近一點,你也會看到一個可見光陰影。)。

早在1931年,根據阿瑪天文臺和天文館的數據,物理學家卡爾·詹斯基就注意到銀河系中心有一個射電波長活動的亮點。物理學家現在強烈懷疑這一點是一個超大質量黑洞。自從這一發現以來,物理學家們一直通過無線電信號探測到其他黑洞。

這次的新發現是,事件視界望遠鏡拍下了黑洞對周圍發光的吸積盤物質(迅速落入黑洞視界的熱物質)形成的陰影。這對物理學家來說是令人興奮的,因為它證實了一些關於陰影應該是什麼樣子的重要觀點,這反過來又證實了科學家們已經對黑洞的看法。

為了對陰影進行成像,天體物理學家必須以前所未有的細節去探測這些無線電波。但是,沒有一架射電望遠鏡能單獨做到這一點。但正如哈佛大學天體物理學家、事件視界望遠鏡(Event Horizon telescope)主任謝潑德·多爾曼在美國國家科學基金會的新聞發佈會上說的那樣,物理學家們終於想出瞭如何將所有的射電望遠鏡連接在一起,組合成一架巨型望遠鏡。

每臺射電望遠鏡都捕捉到大量的射電光子,但沒有足夠的細節來發現黑洞被吸積盤包圍的陰影。但是,每個望遠鏡在圖像上的視角都有些不同。因此,科學家們費盡心思將稍有不同的數據集結合起來,並在原子鐘的幫助下,對射電光子到達不同儀器的時間進行比較。這樣,物理學家就能夠從大量的噪聲中分辨出黑洞的信號。

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在左邊,一張使用錢德拉x射線望遠鏡拍攝的照片,同時也是事件視界望遠鏡拍攝的照片,顯示了一個穿越Virga a星系的相關射流。右邊是視界望遠鏡拍攝的黑洞陰影圖像。

在2017年4月的短短三天時間裡,“事件視界望遠鏡”收集了用於生成圖像的實際數據。這總計超過5 Pb(5千兆字節),大約相當於整個美國國會圖書館的信息量。天體物理學家、該項目的合作者之一丹·馬龍在新聞發佈會上說,它被存儲在以噸為單位的大量硬盤中。

由於數據太多了,通過互聯網發送數據幾乎是不可能的。因此,物理學家們通過傳統運輸方式運送硬盤,將所有硬盤集中到一個地方。

然後,研究人員用了一年的時間,使用計算機來提煉和解釋這些數據,直到這幅黑洞圖像出現。在之後的一年裡,他們檢查結果、寫論文。比如,大氣中的水、來自其他來源的雜散的射電光子,甚至是望遠鏡數據中的微小誤差,都會使數據混亂。所以,該項目的大部分工作都包括仔細繁複的數學計算,以解釋所有這些錯誤和數據中的噪聲。

因此,兩年時間的緩慢而細緻的工作,終於揭示了隱藏在浩瀚宇宙中神秘黑洞的真面目!


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