微信视频号刷赞 权威发布 黑洞照片怎么拍的(那人类是怎么拍到黑洞照片的?)

黑洞照片怎么拍的(那人类是怎么拍到黑洞照片的?)

黑洞照片怎么拍的(那人类是怎么拍到黑洞照片的?)

刚刚公布的M87星云黑洞。图源 / 事件视界望远镜

– 图书君语 –

亿万年来,地球生命眼中所见的星辰

一直只有恒星、行星、卫星和彗星

今天,我们终于将视线延伸到宇宙深处

得以目睹黑洞真容

今天,你们应该都被开头这张黑洞的照片刷了屏。

黑洞,宇宙里最神秘也最迷人的天体之一。

在人类现有的认知里,它代表着死亡和永恒这样的终极问题。

黑洞,是恒星最壮烈的一种归宿。当恒星的燃料被核聚变消耗殆尽,它就走到了生命的尽头。

如果此时恒星的质量足够大,当它通过壮观的超新星爆炸结束生命后,剩下的残骸就会在无可抵挡的引力作用下,塌缩成宇宙中密度最大的天体——黑洞。

电脑模拟的黑洞外观。图源/User:Brandon Defrise Carter

巨大质量的残骸都被塞进了极小的空间之中,强大的引力甚至扭曲了时空,让周围的一切物质都没法逃脱黑洞的吞噬,连宇宙中跑得最快的光都逃不出这个囚笼。

这个连光都逃不出的区域边界,就叫做黑洞的视界。

这次新闻的主角,事件视界望远镜的名字,就由此而来。

艺术家笔下黑洞的概念图。周围环绕黑洞的盘状物质即为吸积盘、上方条状物为喷流。该图未考虑黑洞自身造成的重力透镜效应对影像的影响。图源
/https://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/multimedia/pia16695.html

对黑洞的观测和研究都极为困难,连光都难以从黑洞中逃逸出来。

这次的黑洞照片,准确来说,不能算是“拍照”。

通常我们给物体拍照时,实际上是相机接受到了物体发射或者反射来的光线后成像。

但是这招在黑洞身上不管用。黑洞本身并不发光,也不反光,而是把视界以内的光线都吞掉了,所以黑洞根本不会传递光线给望远镜,它是“黑”的。

M87星系中心超大质量黑洞模拟图。图源/Andrew Chael

不过,黑洞本身不会发光,但它周围会存在一些极具标识性的结构——大量气体形成旋转的气体盘。还有一部分物质磁场作用而被抛射出来,这就是黑洞的喷流。吸积盘和喷流都会释放出光信号。

所以今天的这张照片,拍摄的是视界外的物体在向黑洞坠落时,所最后发出的光芒。

银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”模拟图。最左边的图是纯粹的模拟,而后三张加上了光线被散射后的效果。图源/Astrophysical Journal

我们拍不到隐形的人,但我们能拍到隐形人穿的衣服。这些物体被吞噬前发出最后的闪光,成了黑洞身上披着的明亮轻纱。轻纱中央罩着黑洞的部分显得较黯淡,而轻纱的边缘则明亮很多,最终就形成了照片中那样的美丽剪影。

我们其实是通过光明来看到黑暗,通过黑洞在照片上的“缺席”来看到黑洞的“存在”。

实际上,给黑洞拍照最大的难点并不是它“黑”,而是黑洞实在是离我们太远了。

这次拍摄的黑洞距离地球真的太太太太遥远,室女A星系(M87)黑洞,离地球距离5500万光年。

光走1秒的距离,已经能绕地球7圈半,整个太阳系的半径,也就是1光年的几千分之一。

5500万光年这个尺度,已经无法用言语来形容。

活动星系M87,其中的条带状气流为喷流。图源/NASA and The Hubble Heritage Team(STScI/AURA)

室女A星系(M87)黑洞,几乎是从地球上最容易“看清”的黑洞了。它是位于星系核心的超大质量黑洞,比普通黑洞要大很多,质量约是太阳的65亿倍。再加上它的轨道周期长,星际气体的干扰小,所以最后的照片成像质量要更高一点。

但由于距离实在过于遥远,要看清它,不亚于在地球上用肉眼看月球上的一颗苹果。

为了实现这个高难度目标,科学家们用了一种叫做甚长基线干涉的技术,整合了世界各地的8个射电望远镜组。

位于智利阿塔卡马沙漠的ALMA望远镜阵列。图源/ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/W.Garnier(ALMA)

这些大大小小的望远镜,位于太平洋中的岛屿、墨西哥的火山、智利的沙漠、南极圈的冰雪上……

集合了全世界的力量,才创造出来这个覆盖口径等效于地球直径的天文望远镜阵列。

目前参与EHT计划的望远镜阵列在全球的分布情况。图源
/https://eventhorizontelescope.org/array

这些望远镜,每年能够同时观测到目标黑洞的时间,也只有短短5个星期而已。

为了进行时间上的精确同步,甚至使用了原子钟,这个人类目前所能最精确的计算时间方法 。

在每个观测中心,科学家们用提前校对好的原子钟时间,对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘,等观测结束后,再使用大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析,这张黑洞照片,才被“计算”了出来。

这个计算,从2017年4月开始直到现在。换句话说,从望远镜“看”到黑洞,再到我们人类能看到黑洞,至少用了两年。

从爱因斯坦1915年提出广义相对论,到现在已经过去了100年。

这次观测到的室女A星系(M87)黑洞,位于银河系隔壁的室女座星系。跟以自转运动为主的螺旋星系,也就是我们所在的银河不同,室女座星系是椭圆星系,里面的恒星的运动是以不规则的运动为主。

也就是说,跟银河系,是完全不一样的风景。

在红外波段格外明亮的银心与银盘。图源/《中国国家地理少儿百科 宇宙》

人类现在连火星都到不了,更别说走出太阳系了。

而M87星系离地球,大概有千几亿个太阳系的距离。

这个距离,是我们穷极毕生,甚至可能直到人类灭绝,都无法跨越的距离。

所以这张黑洞照片,是全地球人一起,用望远镜跨越了银河系,跨越了几千亿个太阳系的距离。

到5500万年前的室女座A星系,看了一眼。

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作者: long1229

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