黑洞模擬圖

　　為什么沒有黑洞照片

　　盡管黑洞在科學(xué)中是那么迷人，那樣激發(fā)人的想象力，但沒有哪位天文學(xué)家真正見過黑洞。

　　黑洞是由大質(zhì)量恒星自身坍縮而形成的，揭示了物理學(xué)的極限，是有著無限大密度，無限小體積的天體。沒有任何東西可以逃脫，即使是光。

　　天文學(xué)家推測(cè)，一些黑洞可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。

　　試圖觀察黑洞的最大問題是，即使是超大質(zhì)量黑洞(質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍)也相對(duì)較小。

　　我們天空中最大的黑洞是銀河系中心的黑洞， 給它拍照就相當(dāng)于在月球表面拍一張DVD。

　　更重要的是，由于黑洞的強(qiáng)大引力，它往往被其他明亮的物質(zhì)包圍，這使得很難看到物體本身。

　　這就是為什么在尋找黑洞時(shí)，天文學(xué)家通常不會(huì)嘗試直接觀測(cè)。相反，他們尋找黑洞引力和輻射影響的證據(jù)。

　　通常測(cè)量恒星和氣體的軌道，這些恒星和氣體似乎圍繞著天空中非常暗的‘點(diǎn)’旋轉(zhuǎn)，再測(cè)量那個(gè)暗點(diǎn)的質(zhì)量。

　　如果測(cè)量的“點(diǎn)”(天體)，得到質(zhì)量比我們測(cè)量其他天體都大，而且顏色更黑暗，那么就會(huì)被認(rèn)為這是一個(gè)黑洞。

　　在我們星系中心的大黑洞周圍甚至可能有多達(dá)20000個(gè)較小的黑洞。

　　黑洞只有在消耗物質(zhì)時(shí)才會(huì)釋放x射線，但這些吞噬一切的黑洞實(shí)際上非常罕見。更常見的情況是，黑洞仍然無法被探測(cè)到。

　　所以我們現(xiàn)在看到的很多黑洞的照片，只能說是藝術(shù)加工想象出來的圖片。

　　但是，從理論上看，看到視界(黑洞的邊界稱)是可能的，盡管并不容易。視界是黑洞外的一點(diǎn)，在那里光不再能達(dá)到逃逸速度。

　　但這個(gè)視界很可能被一個(gè)吸積盤所包圍，吸積盤是圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的一個(gè)明亮的、能量極高的物質(zhì)環(huán)。

　　事件視界望遠(yuǎn)鏡分布

　　這張照片如何拍攝的

　　我們銀河系的中心，在人馬座和天蝎座的邊界附近，存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

　　這個(gè)被稱為人馬座A* (Sgr A*)的時(shí)空吞噬區(qū)域橫跨2700多萬英里的距離，據(jù)估計(jì)有一個(gè)吸光核心，是太陽質(zhì)量的400萬倍。

　　由于它與地球的距離相對(duì)較近，相隔“只有”26,000光年，它也是少數(shù)幾個(gè)被觀測(cè)到影響附近物質(zhì)流動(dòng)的黑洞之一。

　　準(zhǔn)確的說，不是直接拍攝銀河系中心的黑洞。實(shí)際上是要給它的影子拍張照片。它的側(cè)影將在銀河系中心輻射的背景下滑動(dòng)。這張照片將首次揭示黑洞的輪廓。

　　盡管人馬座A* 的體積巨大，但它離我們足夠遠(yuǎn)，所以對(duì)任何一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡來說，捕捉到它都是巨大挑戰(zhàn)。

　　人馬座 A*(Sgr A*)

　　或許需要比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡分辨率高1000倍以上才能完成。不過，天文學(xué)家決定創(chuàng)造更大的望遠(yuǎn)鏡——整個(gè)地球。

　　2018年4月，天文學(xué)家同步了全球射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，以觀察人馬座A*的直接環(huán)境。

　　這就是事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)，一個(gè)虛擬的行星大小的天文臺(tái)，能夠在很遠(yuǎn)的距離捕捉到前所未有的細(xì)節(jié)。

　　如果真正去建立一個(gè)巨大望遠(yuǎn)鏡，這樣的遠(yuǎn)鏡可能會(huì)在自重下崩潰，所以組合了八個(gè)天文臺(tái)，就像巨型鏡子的碎片。

　　這給了我們一個(gè)和地球一樣大的虛擬望遠(yuǎn)鏡——直徑大約10000公里。

　　哈珀太空望遠(yuǎn)鏡

　　“拍攝”及處理遇到的挑戰(zhàn)

　　八個(gè)天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡以原子鐘的超高精度相互鎖定，捕捉到了大量關(guān)于人馬座A*的數(shù)據(jù)。

　　據(jù)歐洲南方天文臺(tái)稱，它的阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡(ALMA)是視界望遠(yuǎn)鏡的合作伙伴之一，僅它就記錄了超過1pb的黑洞信息。

　　由于信息數(shù)據(jù)巨大，無法通過互聯(lián)網(wǎng)傳送，物理硬盤需通過飛機(jī)運(yùn)送，然后輸入位于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)(MIT Haystack Observatory)和德國波恩市馬普射電天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)的計(jì)算集群(稱為相關(guān)器)。

　　然后研究人員必須整理和分析這些數(shù)據(jù)，之后就是等待了計(jì)算機(jī)結(jié)果。

　　海斯塔克天文臺(tái)

　　在處理第一張“照片”的道路上第一個(gè)障礙是駐扎在南極洲的第八個(gè)參與射電望遠(yuǎn)鏡。

　　由于從2月到10月不可能有航班，南極望遠(yuǎn)鏡捕捉到的最終數(shù)據(jù)集實(shí)際上是被“冷藏”起來的。2017年12月13日才到達(dá)了海斯塔克天文臺(tái)。

　　在磁盤預(yù)熱之后，它們將被加載到回放驅(qū)動(dòng)器中，并與其他7個(gè)天文臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　從而完成地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，連接南極、夏威夷、墨西哥、智利、亞利桑那和西班牙的磁盤。

　　完成記錄比較需要大約3周的時(shí)間，之后可以開始對(duì)2017年EHT數(shù)據(jù)進(jìn)行最終分析!

　　最終的分析持續(xù)了整個(gè)2018年，由200多名研究人員組成的研究小組仔細(xì)研究了收集到的數(shù)據(jù)，并解釋了可能會(huì)降低視界圖像質(zhì)量的任何誤差來源(如地球大氣中的湍流、隨機(jī)噪聲、假信號(hào)等)。

　　他們還必須開發(fā)和測(cè)試新的算法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“天空中無線電輻射的地圖”。

　　好消息是現(xiàn)在等待已經(jīng)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，就在今晚，我們可以凝視宇宙中最迷人和可怕的天體之一的不祥陰影了。

　　這張黑洞照片可能證明愛因斯坦是錯(cuò)的

　　那么，一旦數(shù)字運(yùn)算完成，我們會(huì)看到什么呢?有趣的是，一些科學(xué)家認(rèn)為它可能看起來像電影《星際穿越》中精心制作的黑洞。

　　電影《星際穿越》中的黑洞

　　然而，與那個(gè)特殊例子中令人賞心悅目的壯觀景象不同的是，人們預(yù)計(jì)視界所產(chǎn)生的光將是不對(duì)稱的，而不是均勻的。

　　正是在這些觀測(cè)中，愛因斯坦的廣義相對(duì)論將面臨考驗(yàn)。

　　通過照片我們能知道黑洞具有事件視界(一種時(shí)空的曲隔界線)的觀點(diǎn)是否正確，以及對(duì)黑洞陰影的定量預(yù)測(cè)是否正確。

　　如果廣義相對(duì)論在某種程度上是錯(cuò)誤的，那么我們最終應(yīng)該能夠從它的預(yù)測(cè)中看到偏差，比如我們星系大黑洞的陰影形狀和行為。

　　無論最終公布的圖像是什么，它可能只會(huì)加深圍繞這些神秘天文現(xiàn)象的疑問和敬畏，僅僅是工程本身就引發(fā)了這一歷史性時(shí)刻。

　　這是一個(gè)挑戰(zhàn)，做一些從來沒有嘗試過的事情，這是通往黑洞冒險(xiǎn)之旅的開始。

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