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从寻找拍摄对象到全球联手合作
时间:2019-04-15 05:42 来源:网络整理

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  本报讯 人类史上首张黑洞照片近日引起轰动,它记录了距离人类5500万光年的M87星系中心的黑洞,质量约为太阳的65亿倍。然而这张万众瞩目的照片却没有想象中的“高清”,甚至有些模糊,拍摄究竟有哪些难点呢?昨日,上海科普大讲坛请来中科院上海天文台台长沈志强和副研究员左文文两位专家,与公众一起分享黑洞照片背后的故事。

  选择合适的黑洞“模特”

  一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将引力视为时空扭曲的效应。他的方程预言,一个小而重的物体能隐藏在事件视界之内,其引力强大到连光都无法逃脱,这个物体就是黑洞。

  然而一百多年来都只有一些间接证据能证明黑洞的存在。“我们看不见风,但可以通过风吹动树叶来判断它的存在。”左文文表示,黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会产生影响,可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。此外,引力波的发现,也是科学家推断黑洞存在的证据之一。

  所以,拍照是证实黑洞存在的最直接证据。第一步,就要定下拍照的模特在哪。

  沈志强介绍,黑洞本身不发光,但是黑洞周围通常都会有一个吸积盘,吸积盘有比较强的辐射会发光,在明亮吸积盘的衬托之下,黑洞就会产生一个所谓的黑洞阴影。

  所以,要想拍摄到黑洞的照片,毫无疑问需要满足两个条件:质量够大、距离够近。

  因此,位于人马座方向的银河系中心黑洞SgrA*和近邻射电星系M87的中心黑洞M87*成为目前已知最优的两个候选体。“M87*的距离虽然比SgrA*多了大概2千倍,可是质量也比它大得多。”左文文说,“所以银河系中心的黑洞和M87*的黑洞看起来的效果就好像我们看天上的太阳、月亮的差别,后者稍弱一点。”

  8台高精度“相机”联手

  接下来就要选择拍摄的相机,也就是望远镜了。“描述一个望远镜的好坏有两个重要的参数:第一个是灵敏度,第二个是分辨本领。”左文文表示,望远镜若想看到黑洞的事件视界,就好比人类站在地球去看月球上的一个橙子,困难可想而知。

  一般来说望远镜口径越大,分辨率越高,若想要观察清楚黑洞,则需要和地球差不多大口径的望远镜。“不过人类很聪明,发现了VLBI技术,也叫甚长基线干涉测量技术,解决了射电望远镜实现高分辨本领的难题。”左文文介绍,VLBI技术,就是当相隔两地的两架射电望远镜同时观测来自同一天体的射电波,根据各自独立的时间标准,将天体的射电波记录下来,然后再将这两个记录一起送入处理机进行相关处理,最终分析获取该天体的射电辐射强度和位置。“科学家们用8台处于不同地理位置的射电望远镜组成一个望远镜观测网络,南极也有,这让我们的虚拟望远镜几乎和地球一样大了。”

  还有一项挑战来自于天气。因为只有这8个望远镜及其阵列同时顺利观测到黑洞,才能达到最高灵敏度和最大空间分辨率。而现实是,留给科学家们观测的窗口期非常短暂,每年大约只有10天。

  数据繁杂“冲洗”有难度

  在这次拍摄过程中,需要多台设备同时观测和记录,然后将数据汇总到一起分析。2017年4月的观测中,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。“1个T相当于1000个G。我们看的高清电影,不过1个G、2个G。3500乘1000,一天从早到晚不吃不喝去看,也得看几百年。”

  因为数据量如此庞大,不可能靠网络传递,所以EHT用硬盘来记录每个望远镜的原始观测数据,再把硬盘寄回数据处理中心。“这个观测受大气影响很大,需要在世界上最偏僻、最高的地方,比如南极、或者跑到四五千米的高山上面观测,需要用特质的硬盘,数据记录好,然后带回来。”左文文说,此次M87*没有用到南极的望远镜,将来SgrA*黑洞会用到南极的望远镜,这个数据硬盘带过来就得半年。

  这个过程中涉及数据量之多,处理难度之大都是前所未有的。即使人类的运算能力已经非常强大,这张照片还是花费了近两年“冲洗”———从2017年4月开始,科学家们一直在对这些数据进行后期处理和分析。

  值得一提的是,对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点,一方面,对于M87*的观测结果分析还能更加深入,从而获得黑洞周围的磁场性质,对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。另一方面,银河系中心黑洞SgrA*的照片也正在冲洗当中。

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