如果要評選出2019年最有價值和最受期待的照片,那么非人類拍攝的首張黑洞照片莫屬。它是黑洞存在的直接“視覺”證據,從強引力場的角度驗證了愛因斯坦廣義相對論。
這張照片于2017年4月拍攝,兩年后才“沖洗”出來。2019年4月10日由黑洞事件視界望遠鏡(EHT)合作組織協調,在全球六地聯合發布。
看不見的黑洞如何證明它存在?
一百多年前,愛因斯坦提出廣義相對論,將引力視為時空扭曲的效應。他的方程預言,一個小而重的物體能隱藏在事件視界(event horizon)之內,在視界內,其引力強大到連光都無法逃脫,這個物體就是黑洞。幾乎所有的星系中心都存在黑洞,在那里,它們可以成長到太陽質量的數百萬或者數十億倍。
在這次拍照前,主要有三類代表性證據可以表明黑洞的存在:
一、恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。
二、根據黑洞吸積物質(科學家們把這個過程比喻成“吃東西”)發出的光來判斷黑洞的存在。
三、通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。
廣義相對論預言,因為黑洞的存在,周圍時空彎曲,氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中,引力能轉化為光和熱,因此,氣體被加熱至數十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,事件視界看起來就像陰影,陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。
給黑洞拍照不止是為了“眼見為實”
給黑洞拍照,有三個科學意義:
一、對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據。黑洞是具有強引力的,給黑洞拍照最主要的目的,就是在強引力場下驗證廣義相對論,看看觀測結果是否與理論預言一致。
二、有助于理解黑洞是如何“吃東西”的。黑洞的“暗影”區域非常靠近黑洞吞噬物質形成的吸積盤的極內部區域,這里的信息尤為關鍵,綜合之前觀測獲得的吸積盤更外側的信息,就能更好地重構這個物理過程。
三、有助于理解黑洞噴流的產生和方向。某些朝向黑洞下落的物質在被吞噬之前,會由于磁場的作用,沿著黑洞的轉動方向被噴出去。以前收集的信息多是更大尺度上的,科學家沒法知道在靠近噴流產生的源頭處發生了什么。對黑洞暗影的拍攝,就能助天文學家一臂之力。
八位拍寫真的“攝影師”
為了捕獲第一張黑洞圖像,過去的十年多時間里,麻省理工學院的天文學家們聯合了其他機構的同行們,讓全球八個天文臺同時對銀河系中心的黑洞Sgr A★和M87星系中的黑洞M87★展開亞毫米波段觀測,這些望遠鏡統稱為“事件視界望遠鏡”(EHT)。
由于EHT此次觀測的波段在1.3毫米,容易受地球大氣的水汽影響,因此,這些亞毫米波段望遠鏡分布在高海拔地區,包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。
參與此次觀測的包括位于世界六個地點的八個臺站。其中,由于位置的限制,位于南極的SPT望遠鏡無法觀測到M87★。所以參與觀測M87★的望遠鏡實際上是七臺。
“沖洗”照片:復雜的后期數據處理分析
在這次拍攝黑洞照片的過程中,多臺設備同時觀測和記錄,然后將數據匯總到一起分析。2017年4月份的觀測中,八個臺站在五天觀測期間共記錄約3500TB的數據(1TB等于1024GB,相當于500小時的高清電影)。
因為數據量龐大得不可能靠網絡傳遞,所以,EHT用硬盤來記錄每個望遠鏡的原始觀測數據,再把硬盤寄回數據處理中心。
超級計算機需要獲取相同的信號到達兩個望遠鏡的時刻差(時延)以及時延隨著時間的變化快慢(時延率),校正射電波抵達不同望遠鏡的時間差,最后綜合兩個望遠鏡的位置信息、信號的強度以及上述兩個參數——時延、時延率,就可以對該天體的射電輻射強度和位置進行分析。
這個過程中,涉及數據量之多,處理難度之大,都是前所未有的。即使現在人類的運算能力已經非常強大,這張照片還是花費了近兩年時間“沖洗”——從2017年4月開始,科學家們用了近兩年時間對這些數據進行后期處理和分析。終于,在2019年4月10日發布了首張黑洞照片。
EHT項目本身還將繼續“升級”,還會有更多的觀測臺站加入EHT,靈敏度和數據質量都將提升。讓我們一起期待未來看到M87★和Sgr A★的更高清照片,發現照片背后的黑洞奧秘。
總之,人類既然已經拍到第一張黑洞照片,那么黑洞成像的春天還會遠嗎?