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人类对宇宙的探索永无止境,刚刚,天文学家公布了人类史上首张黑洞照片。这颗黑洞就是 M87 星系中心的超大质量黑洞,它的质量是太阳的 65 亿倍,距离地球 5500 万光年。

史上首张黑洞照片 - Quanyin说:imtqy.com
上面就是由事件视界望远镜(EHT)拍摄的黑洞照片。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种质量极大的天体,它的引力极强,强到连光线都被吸引无法逃逸。

上面就是由事件视界望远镜(EHT)拍摄的黑洞照片。

黑洞是什么?

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种质量极大的天体,它的引力极强,强到连光线都被吸引无法逃逸,是一个接近圆形的环状结构,黑洞阴影亮的地方和中心黑洞对比度超过 10 倍,说明这个黑洞是真实的。
黑洞观测特征 - Quanyin说:imtqy.com

今天之前,人类已经找到了黑洞存在的诸多证据,3年前我们还听到了来自黑洞合并发出的“声音”,但黑洞究竟长啥样却只能靠猜想。

科学家们早已用理论推测了黑洞的样子,其中最为大众所熟知的是《星际穿越》里的 卡冈图雅。电影导演克里斯托弗·诺兰请来了知名天体物理学家基普·索恩,花费一年多的时间,根据广义相对论用计算机模拟为我们呈现了这样一幅景象。

黑洞计算机模拟 - Quanyin说:imtqy.com

如何理解黑洞照片

既然黑洞不能发出光线,也会吸进射入它的光线,人类又是如何看见黑洞的?

黑洞虽然是光的“坟墓”,但只有一定范围内光线才无法逃出。这个范围就是EHT名称的来源 事件视界(Event Horizon),事件视界 之外的光线会被弯曲,但是有几率逃出黑洞引力的“魔爪”。
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另外黑洞强大的引力会让任何靠近它的物质落入其中,形成像排水孔周围一样的漩涡,称为吸积盘。在这个过程中,气体因引力势能得到释放被加热到几百万度,发出强烈的光。
黑洞吸积盘 - Quanyin说:imtqy.com

在黑洞前方的吸积盘是 卡冈图雅 的“腰带”,后方的吸积盘发出的光线在黑洞引力下扭曲变形,绕过半圈仍然可以被我们看见,形成了黑洞上下方的光环,于是就有了 卡冈图雅 那样特殊的图像。

细心的你也许会注意到,黑洞吸积盘上下两侧亮度不一样,这是由于吸积盘中的气体高速旋转,根据多普勒效应,发光气体就像手电筒一样,几乎只会照亮运动方向的前方,转向你的一侧会较亮,而转离你的一侧会较暗。

另外,黑洞的引力让后方恒星发出的光线“折射”,就像一个挡在恒星和地球之间的透镜,科学家们把它叫做 引力透镜。黑洞周围扭曲的星空也为我们提供了黑洞存在的证据。

引力透镜 - Quanyin说:imtqy.com

今晚的照片显然不能和《星际穿越》中壮观的效果相比拟。但是,请不要吐槽照片效果太差,为了“冲洗”这张照片,科学家们花费了2年时间,而为了拍摄这张照片,他们把望远镜建到世界各地,甚至是寒冷的南极洲。

Veritasium 于 4 月 9 日在 YouTube 上发布了一段视频,标题是:How to Understand the Image of a Black Hole

这段总时长 9 分钟的视频,非常形象的解释了,为什么黑洞的照片会是一个特定的样子,通俗易懂,在 YouTube 上已有上百万的浏览。

和地球一样大的望远镜

事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)项目起源于 2006 年,来自全球 30 多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划——给黑洞拍摄一张照片。

这颗黑洞很大,却很难看清。

这个黑洞虽然尺寸很大,但是它距离我们 5500 万光年。EHT 负责人 Doeleman 博士这样形容:好比你在纽约,去细数远在洛杉矶的一个高尔夫球上的凹槽。

即使是哈勃望远镜也无法达到这么高的分辨率,需要在原来的基础上提高1000倍才能看见这颗黑洞。提高分辨率的方法之一是增大望远镜的口径。

为此,科学家们制造了一个口径和地球一样大的望远镜。准确地说,是一个遍布全球的射电望远镜网络,由8个分布在欧洲、美洲、南极洲的望远镜组成。
EHT射电望远镜网络 - Quanyin说:imtqy.com

这八个望远镜,分别长成这个样子。
八个 EHT 射电望远镜 - Quanyin说:imtqy.com

通过甚长基线干涉测量法(VLBI),这 8 个望远镜的数据实现了相互关联,等效于一个口径和地球一样大的望远镜。

Doeleman 博士打了个通俗的比方,如果有人将手指浸入池塘并产生涟漪,沿岸安装了潮汐测量仪,你可以通过记录每个波峰到达岸边的时间来找出涟漪的来源。

如果有两个手指伸入水中,那么涟漪会相互干涉,有些地方的波动会放大,有些地方的波动会消失。一些潮汐测量仪会测量出特别大的波峰,而另一些会测量出较弱的信号。通过分析这种模式,我们可以知道远处发生了什么。

在地球上,科学家们记录着无线电波到达的信号,并用高精度的原子钟进行同步。有了来自不同观测站望远镜的数据,科学家们就能重建出一幅发生在数万光年之外的图像。
VLBI - Quanyin说:imtqy.com

但是8个望远镜的数据并不能获得黑洞的实时图像。EHT 一个晚上产生的数据量就达到 2PB(约2000TB),无法通过互联网发送,因此不可能实时分析所有观测站的数据。

Doeleman 博士开玩笑说,载有硬盘的飞机比网线的带宽要高得多,科学家们需要把各个地方存有数据的硬盘带到麻省理工和马普研究所,由超级计算机进行处理。

在 EHT 发现黑洞的过程也有中国科学家的参与,中科院上海天文台是 EHT 的合作机构之一。2005 年,由上海天文台副台长沈志强领导的小组,将另一个黑洞候选者人马座 A * 的位置缩小到 1.5 亿公里的区域内。

在 EHT 公布照片之前的几十年,科学家们一直在用各种“曲线救国”的手段苦苦寻找黑洞存在的证据。

找到黑洞存在的证据

根据黑洞附近恒星的运动轨迹可以计算出黑洞的质量。自 1995 年以来,天文学家已经跟踪了 90 颗恒星的轨道,他们围绕银河系中心一个看不见的物体运动。而一个质量巨大的物体被限制在一个极小的范围内,只可能是黑洞。

前面已经说过,黑洞吸积盘有X射线和无线电波将喷出。这些明亮的X射线源可以通过望远镜检测到。

另外,两个黑洞在相互绕着旋转最后合并成一个黑洞时,会发出引力波。引力波是一种时空的涟漪,会让时空产生形变。2015 年 9 月14 日,LIGO 引力波天文台首次观测到了广义相对论预言的引力波。

黑洞引力波 - Quanyin说:imtqy.com

但以上两种都是黑洞存在的间接证据,黑洞照片这一直接证据迟迟没有找到,今晚这一块拼图终于拼上了。

One More Thing:纪念霍金

在广义相对论提出的100年后,人类用黑洞照片又一次证明了它的正确性。除了爱因斯坦,在黑洞问题上,还有一位物理学家——霍金——做出了许多理论贡献,他提出的霍金辐射、黑洞无毛定理随着那本《时间简史》成为大众熟知的概念。

纪念霍金 - Quanyin说:imtqy.com

2017 年 4 月,人类完成了黑洞照片的拍摄工作,随后进入了漫长的数据处理过程。2018 年 3 月 14 日,霍金突然逝世。

今天,第一张黑洞照片终于发布,这或许是对霍金最好的悼念。

以下是转载来源
晓查 发自 纽凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
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本文作者:Quanyin Tang

本文链接:人类史上首张黑洞照片发布!我们成为史上首批看到黑洞的人类 - https://www.imtqy.com/first-image-of-black-hole.html

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