第一张黑洞照片

2019年4月11日 我要吐槽

北京时间10日晚9时,包括中国在内的世界多地天文学家同步公布首张黑洞照片。
这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体——黑洞。

史上第一张黑洞真身照片

尽管黑洞的真身照是一张模糊、不规则的圆环,但照片的背后凝结了目前最先进的探测技术,历时十余年,动用了来自非洲、亚洲、欧洲、北美洲和南美洲的200多名研究人员,八个探测望远镜不分昼夜观测。

给黑洞拍张照不容易!

2017年4月5日,由位于南极、智利、墨西哥、美国夏威夷、美国亚利桑那州、西班牙的8台亚毫米射电望远镜同时对黑洞展开观测,利用甚长基线干涉测量技术(VLBI)将这8台望远镜构建成超级“虚拟”望远镜——视界面望远镜(EHT),EHT口径13000公里,约等同于地球直径。

望远镜在全球分布示意图

因为这类观测的数据处理并非只用一套现成的方法。多台望远镜之间的钟差、望远镜自身状态随时间的微小改变等问题都会影响观测精度。另一方面,“拍照”对象黑洞本身也在不断变化,科学家需要探索新方法对“相机”进行校准,建立模型,以提升合成图像的质量和精度。数据处理过程中需要根据处理结果不断调整运算方法进行改进,加之数据量巨大,因此用时很长。有报道称,为了处理这些海量数据,美国麻省理工学院等机构的科学家开发了新算法,以加快数据分析。

在射电天文学中,由望远镜检测到无线电波,其频率将入射光以波的形式记录,其幅度和相位以电压形式测出。在对这次拍摄的主角——M87进行观测时,每个望远镜都以电压的形式接收数据流,用数字形式表示。 每台望远镜都记录了大约1 PB(100万GB)的总数据。

在观测结束后,每个观测站点的研究人员收拾起成堆的硬盘,并快递给美国麻省的Haystack天文台和德国马普射电天文学研究所。这两个天文台(所)有强大的高度专业化的超级计算机,计算机一次能够处理两个数据流。

由于每台望远镜在EHT的虚拟无线电盘上处于不同位置,因此它呈现的目标物体的视图会略有不同,这里的目标就是M87。由两个单独的望远镜接收的数据可以编码黑洞的类似信号,但也各自包含特定于每台望远镜的噪声。 超级计算机中的相关器将来自EHT的八个望远镜的每对可能的数据排成一行。通过比较,在数学上消除噪音,挑出黑洞的信号。每台望远镜上安装的高精度原子钟会为输入数据加上时间戳,让分析人员能够在事后对数据流进行匹配。

随后,Haystack天文台和马普射电天文学研究所的研究人员开始了“关联”数据的艰苦过程,识别来自不同望远镜的一系列问题,修复这些问题并重新运行相关器,直到数据通过严格验证。之后,这些数据会被发送至全球四个独立的团队,这些团队的任务是使用独立的技术由数据生成图像。

“拍照片”到“洗照片”

本次参与对观测数据进行分析合成的机构超过60个,其中来自中国的8个机构参与其中:中国科学院天文大科学研究中心、中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室、中国科学院星系宇宙学重点实验室、中国科学院天体结构与演化重点实验室、中科院射电天文重点实验室、中国科学院大学天文与空间科学学院、中国科学院上海天文台、中国科学院云南天文台。

为什么要给黑洞拍照?

抛开国籍的枷锁,把问题上升到宇宙,其实这件事情的意义就远远超越其本身,正如美国太空人阿姆斯特朗登陆月球后的第一句话:我的一小步,是人类的一大步。这次对拍摄黑洞的跨国行动,也迈出了人类太空探索的一大步。

另一方面,从观测角度来看,这是基线最长、规模最大的一次关于黑洞的射电成像;从科学的角度,这也是第一次高分辨率的观测黑洞边界,也是一次激动人心的观测验证理论的大事件,重要性不亚于引力波被发现。

更进一步来看,除了黑洞照片本身,这种新的观测宇宙的方式似乎更为重要,地球上的射电阵列可以拍到银河中心,那么如果我们把望远镜放到更远的地方,太空轨道上,是否有机会观测到更远的深空。

此外,这套专门设计的图像处理算法本身也是有很大价值。被验证后,这套算法很快可以投入到太空探索领域,甚至可以在其他领域大展神威,毕竟这套算法的本质是把低分辨率的图像转换成更高的分辨率。而且这次观测的数据也非常重要,毕竟,事件视界望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB(1PB=1000TB=1000000 GB),有了这些数据天文学家可以分析出来黑洞的周围有什么,这些东西以什么样的状态存在…

总的来说,这次观测是实验科学,是实践行为,这也正是科学中最严肃的要素。天文学家们通过这次观测结果,或许能借此检验爱因斯坦的引力理论,并对广义相对论做出严格的限制。与此同时,黑洞图像将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。

从18世纪末约翰·米歇尔提出“暗星”概念,到法国科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在著作《世界系统》中提出的光都无法逃逸的天体,爱因斯坦场方程的推理结果,再到美国物理学家罗伯特·奥本海默发表了第一篇关于黑洞的学术论文。人类对这一“看不见”的物体一直充满了好奇,探索之路已经跨越了国别,不分种族。

就像《三体》里说的,“我们都是阴沟里的虫子,但总还是得有人仰望星空。”也正因人类仰望星空的努力从未停止,今天的我们,才能够站在无数巨人的肩膀上,看到了当初他们奋力想看却无法企及的景象,作为银河系渺小的碳基生物,这是何其幸运又美妙的事情。

用《星际穿越》中的 Gargantua来收尾,向人类致敬!

注:部分内容来源网络

@>好玩的, 臆造&杜撰&八卦,雷同纯属巧合!, 话痨病发 #
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