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人类首次“拍”到黑洞,一个模糊、暖橙色的圈 | 好奇心小数据

张依依2019-04-11 20:14:09

据研究人员,这些重要数据并没有备份,因为数量过于庞大,所以即便是丢失了一部分,也是在可接受范围之内的。

人类在艺术创作中想象过无数回的黑洞形象终于第一次有了定论——一个模糊、暖橙色的圈。

这张由 Event Horizo​​n Telescope Collaboration ( EHT,国际合作的天文项目“事件视界望远镜”)在 4 月 10 日发布的 M87 黑洞照片,无疑是当天最为重磅的天文消息。Google 还将 Google Doodle 换成了 M87 黑洞的动画,以庆祝这一突破。

黑洞可能是对人们来说最神秘,也最具吸引力的天体之一。不仅是因为这个概念的耳熟能详,更是由于它奇特的性质:黑洞的引力是如此极端巨大,以至于没有任何东西,甚至是光线,可以从中逃逸。

这被称为事件视界(the event horizon),一旦物质越过这个门槛,就再没有回头路,这也让对于黑洞的观测变得极其困难。

一个多世纪前,黑洞的存在被爱因斯坦理论化; 1967 年,物理学家 John Wheeler 首次使用“黑洞”一词; 2016 年,观测站 LIGO 第一次检测到由双黑洞互相效应而造成的引力波,也间接证实了黑洞的存在。

但科学界始终缺乏其直接的视觉证据。“我们一直在研究黑洞,有时候很容易忘记我们没有人真正看过黑洞。”美国国家科学基金会主任 France Córdova 在华盛顿哥伦比亚特区举行的新闻发布会上说,“看见是一个艰巨的任务。”

三年前,还是 MIT 研究生的 Katie Bouman 创造出第一个针对黑洞图像的算法;2017 年 4 月, EHT 的八台射电望远镜进行了连续一周的观测,得出超过 5 PB 的数据;两年的时间之后,这些照片终于被科学家们“洗出来了”。

观测到的 M87 黑洞极其巨大,也非常遥远

“我们看到了一度被认为不可见的东西。我们看见黑洞还给它拍了张照。” EHT 主任 Sheperd Doeleman 在华盛顿特区举行的新闻发布会上表示。当天这项成果在全世界六个地点的新闻发布会上同时公布,观察的详细信息通过一系列六篇研究论文发表在了 The Astrophysical Journal Letters 上。

图像显示的黑洞为 Messier 87 室女座星云中心的黑洞,距离地球大约 5500 万光年,质量是太阳的 65 亿倍。

M87 黑洞并不是最接近地球的黑洞,但它是可知的从地球可观测的最大黑洞之一,直径达 380 亿公里。即便按照黑洞标准,也算是一头重量级的巨兽,也使其成为非常合适的观测对象。

M87 星系有几万亿颗恒星,以及 15000 多个球状星团( globular star clusters );相比之下,地球所在的银河系只有数千亿颗恒星,以及大约 150 个球状星团。

两年前, EHT 其实也同时对位于银河系中心的人马座 A 黑洞进行了观测。不过事实证明,虽然人马座 A 黑洞距离上要近得多,但体积却太小,而且银河系中的气体和尘埃也让图像更加模糊。它的数据处理因而被排在了 M87 黑洞之后。

当人们看到这张黑洞“特写”时,其实并没有真正看到内部,而只是围绕其一圈的明亮的气体。物质在快要进入黑洞前,会因高速旋转摩擦而放出大量热量和 X 射线辐射;一部分没有被吸入黑洞的粒子,还会以接近光速“飞溅”出来,像是 M87 黑洞的喷射就可以延伸超过 5000 光年,几乎可以抵达并穿透整个太阳系。

EHT 的图像显示的就是 M87 黑洞吸积盘上的阴影,也是我们能得到的最接近黑洞本身的图像——经过其边缘的光线被事件视界附近的强引力弯曲,呈现出一个模糊的、不对称的橘黄色的环。“黑洞的确切边界比其所投射的阴影小约 2.5 倍,测量距离不超过 400 亿公里。”声明解释。

而好像火焰一样燃烧的橙色、黄色和黑色也并不是气体的实际色调,因为射电望远镜捕捉的是人眼无法识别的低频无线电波。图像中展示出的颜色是 EHT 研究人员为不同波长所分配的“假色”,用于标记放射的强度。黄色是最强烈的放射,红色不那么强烈,黑色则为很少或根本没有放射。

之所以能看到光环的一侧比另一侧更加明亮,是因为黑洞正在顺时针旋转。更亮的部分为正在向地球移动的区域,而暗部则是正在远离。

5 PB 的数据存储在硬盘中从五个大洲空运——没有备份

既然图像在两年前就已经拍摄完毕,为什么花费这么久的时间才公布出来呢?

这张所谓照片其实更接近于一份数据分析结果,是由来自世界各地的八台射电望远镜 —— 也就是事件视界望远镜拍摄图像经过多重校准和成像而成的。

组建 EHT 是一项艰巨的挑战。由于水蒸气会在光子穿过大气层时产生极大的影响,所有望远镜都需要部署在空气干燥而稀薄的地方。因而选址都在高海拔,气候恶劣的地区,包括夏威夷和墨西哥的火山,亚利桑那州的山脉以及西班牙的内华达山脉,智利的阿塔卡马沙漠和南极洲。

接下来再送到位于美国和德国的实验室,由超级计算机组成的相关器上进行处理。其中从南极洲收集的资料,光是路上运输就花费了 6 至 8 个月的时间。

M87 虽然体积巨大,但也同样非常非常遥远,“就像在纽约,试图测量一颗在洛杉矶的高尔夫球凹坑。”观测曾一度被认为是绝对不切实际的,因为要拍摄这样远的一个事物,团队需要一个直径 10000 公里的望远镜,几乎和地球一样大。

而在没有如此庞大的机器的情况下,Katie Bouman 开发出的算法填补了这个空缺。他们将来自地球各处的望远镜连接在一起,组成了一个与地球本身一样宽的阵列,形成了与地球同等大小的“虚拟望远镜”。

这些望远镜利用超精准的原子钟保持绝对同步,并在天气情况极为良好的情况下进行同时观测。能满足观测条件的时间窗口非常短暂, 2017 年, EHT “极为幸运”地遇上了这样连续的好天气。

几天的时间里,他们就收集了 5PB 的数据,相当于整个美国国会图书馆总量的观测数据。亚利桑那大学的 Dan Marrone 打了个比方:“这是超过半吨的硬盘驱动器……相当于 5000 年的 MP3 文件,或 40000 个人一生的自拍集合”。而且据研究人员在 Reddit 上的回复,这些重要数据并没有备份,因为数量过于庞大,所以即便是丢失了一部分,也是在可接受范围之内的。

由于无法通过网络传送如此巨量的信息,这些数据都被物理存储到硬盘中收集到一起,然后一并寄送到相关器所在的地方。

虽然这听起来很原始,但在新闻发布会上,Marrone 表示,这样做的效率比任何互联网都要更快。电脑科技媒体 Six Colors 做了一个简单的计算,发现最终数据传输速率可以达到大约每秒 14 千兆字节——当然,气候限制重重的南极除外。

图像与爱因斯坦的预测一致

另一个人们热切关心的问题是,这张照片是否证明了爱因斯坦的理论?尽管大部分人其实都不太理解广义相对论究竟在讲什么。

从现在来看,该图像与爱因斯坦的广义相对论中,黑洞应该是什么样子的预期一致。

广义相对论将重力描述为时空扭曲的结果,巨大的物体在宇宙中形成一种凹痕或凹陷。爱因斯坦认为存在黑洞,并预测时空会被黑洞的极端质量扭曲,以及这些引力怪物中的每一个都有事件视界,一个无法回归的点。此外,事件视界应该是大致圆形的并且具有可预测的大小,这取决于黑洞的质量——这些都与 M87 黑洞呈现的图像一致。

Kip Thorne 是加利福尼亚理工学院的天体物理学家,他在 2017 年因发现黑洞撞击引力而获得诺贝尔奖,他在一封电子邮件中写道:“看到黑洞的近圆形阴影真是太好了。毫无疑问,这确实是 M87 中心的黑洞,没有偏离广义相对论的迹象。“

这张照片被认为是“支持黑洞存在的另一个有力证据”。“这当然有助于验证广义相对论。”佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的物理学家 Clifford Will 表示,“能够真正看到这个阴影并发现它是巨大的一步。”

“我们已经取得了一代人认为不可能的事情。” Doeleman 总结道,“技术的突破,世界上最好的无线电观测台之间的连接,以及创新的算法都汇集在一起​​,打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”


制图/冯秀霞

题图为对 M87 星系中心黑洞的观测。

图片来源:Event Horizon Telescope Collaboration

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