人类第一次给黑洞拍了照片,这件事为什么这么难?

人类第一次给黑洞拍了照片,这件事为什么这么难?
2019年04月10日 08:23 新浪科技-自媒体综合

  来源:新发现杂志微信公众号

  无论怎样看, 这个名为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope,简称 EHT)的项目都显得不太靠谱,这些天文学家绝不可能成功。

  可事实上,黑洞的照片从未像现在这样触手可及!是的,就是黑洞,这令天文学家和好莱坞场景设计师都无比着迷的神秘天体,我们终于可以看到它们的真面目了。

  这堪称一场史无前例黑洞“摄猎”,共有近百名科学家、工程师和技术人员参与其中,调动了散布于全球的 9 个天文台的力量。众人关注的目标名为人马座A*。这个黑洞位于人马座方位(它由此得名),距地球约 2.6 万光年,相当于 24.6亿亿千米。是的,就是这么远!因为人马座 A* 处于银河系的中心,而地球位于银河系的“郊区”(确切地说位于猎户旋臂上),所以肯定隔着一大段距离。

图为人马座 A*,也就是位于银河系中心的黑洞,这实际上是事件视界望远镜项目团队用计算机模拟生成的图像。科学家希望到近期能够获取真正的黑洞照片。图为人马座 A*,也就是位于银河系中心的黑洞,这实际上是事件视界望远镜项目团队用计算机模拟生成的图像。科学家希望到近期能够获取真正的黑洞照片。

  这个遥远的距离是一大难题。因为尽管要拍摄的这个黑洞体积颇为庞大——直径约为太阳的 20 倍,但隔了那么远,它就会显得非常小。观测的难度相当于人在地球,却要在月球表面寻找一枚硬币。但距离还不是该项目遇到的唯一障碍。拍摄对象本身就带来了难题。

  顾名思义,黑洞是黑的。而太空背景也是黑的。换句话说,我们要在黑色的背景中找出黑色的圆点。这对比度太有挑战性了,不是吗?

  仿佛上述这些还不够麻烦似的,人马座 A* 周围还存在着大量尘气云,就如同一片大幕把舞台遮得严严实实,挡住了我们观察的视线。这些困难叠加在一起,的确令人气馁。不过,参与“事件视界望远镜”项目的科学家已做好了迎难而上的准备。

  位于阿尔卑斯山的北方扩展毫米波天文台(NOEMA)参与了对黑洞的拍摄。该天文台于 2014 年投入使用,共有 9 台射电望远镜。图中所示是天文台 2019 年的规划,届时将建成全部 12 台直径 15 米的射电望远镜。

  你也许会问:他们要用什么仪器观测呢?事实上,目前任何一台天文望远镜都不具备所需的超高分辨率。为此,天文学家调动了位于世界各地的 9 个天文台,并使用了一种复杂的方法——干涉测量法。

  简单地说,我们可以把来自两个天文台的图片叠加起来合成一张图片,以未必完全精确的方式逼近一台镜片直径相当于地球直径的巨型望远镜的成果!而之所以要调动位于世界各地的 9 个天文台,则是为确保每时每刻至少有两台这样的巨型望远镜对准黑洞。

  不过,如前所述,科学家还面临两个主要障碍:首先是如何透过尘气云的“幕布”观察黑洞,其次是如何在黑色背景中识别黑洞。但事实上,这两个难关可能已经同时被克服了。要想知道为什么,我们需要首先普及一下关于黑洞的一般知识。

  别指望能看到黑洞的表面:按照黑洞的定义,任何光线都无法逃脱黑洞的引力。因此黑洞在理论上是无法被看到的。然而,我们可以观察黑洞的“事件视界”,那是我们能够靠近黑洞而不被吸进去的最近距离。

  事件视界望远镜项目同样在关注M87 星系的黑洞,即图中人工上色处。M87星系黑洞距地球 5300 万光年,比人马座 A* 远得多,但质量千倍于后者,且活跃得多。观测结果定会十分引人入胜。

  有些时候,气体云会离黑洞太近,于是在后者巨大引力作用下,气体开始围绕黑洞旋转,形成一个物质盘。气体因摩擦而被加热,发出强烈的辐射。它的旋转速度会越来越快,直至穿越事件视界,永远地消失在黑洞中。 事件视界望远镜要观察的, 正是那围绕着黑洞轮廓的碟形光环。

  是的,但我们首先要想办法掀开那层幕布,因为尘埃会阻挡可见光。幸运的是,围绕黑洞旋转的碟形光环不仅发出可见光,它还会辐射出大量 X 射线、紫外线,甚至射电波。这三种辐射在本质上与光线相同,只是我们无法看到它们,因为人眼缺乏相应的感受器。人马座 A* 的射电辐射特别强大,事实上人们在 1990年代开始怀疑其存在也正是因为其发出的射电辐射。射电波有着“穿透”尘埃的能力。

  这是哈勃太空望远镜对银河系中心的红外线观测。图片显示了人马座A*附近区域的x射线,这是银河系中心的超大质量黑洞。

  为什么会这样? 要知道,光具有波的性质,就像海浪那样。 想象海中有座小岛,通常情况下,海浪会拍打在海岛的沙滩上,但当发生海啸时,小岛就无法挡住巨浪了,浪头会越过小岛继续前进。射电波穿越尘气屏障的原理与此类似。射电波的波长介于几毫米到几厘米之间,远大于尘埃微粒和气体分子,因此可以轻松地穿透它们继续向外传播。相反,可见光的波长要短得多(小于万分之一毫米),故而无法穿透尘埃。

  为了拍摄黑洞的玉照,天文学家将收集毫米级波长的射电信号,因为它们能够比较不受阻碍地在宇宙空间穿行。所以严格地说,科学家想要获得的并不是传统意义上的“照片”,而是用“无线电之光”成像的照片。

  但请别失望,射电图像也可以和光学照片一样美丽:科学家会将各种颜色赋予不同波长的电波,从而将其“转化”成可见光图像。就像我们用红外成像检验房屋的保温性能一样:虽然红外线是肉眼不可见的,但计算机能根据不同位置的红外线强度,相应地给出红、蓝、白等颜色。总之,我们可以很容易地获得漂亮的图像。

  当然,科学家拍到这张照片后绝不会仅仅把它装进镜框挂起来就完事。他们会借此机会验证这几年来建立的黑洞计算机模型是否正确。尤其重要的是,可以验证黑洞的质量(目前估计为太阳质量的 400 万倍)、直径以及自转速度等指标。那么,什么时候能看到这张照片呢?别急,2017 年 4 月,该项目对黑洞进行了 10 天的拍摄。由于数据量极为庞大,它们无法通过网络传送,因此被储存在硬盘里,送往德国马普研究所和美国麻省理工学院处理。预计我们很快就能看到初步的成果。

  这仅仅是一个开始!为了观测黑洞周围物质盘的演化,事件视界望远镜项目将连续五年对人马座 A* 进行拍摄。静止图像将变成动态影片……这影片虽然未必会像《星际穿越》中那么令人叹为观止,但要真实得多。

  撰文 Fabrice Nicot

  编译 王师

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