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[转载] 首张黑洞照片:不容易,百年逆转,中国人终于成为了“VIP”

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发表于 2019-4-11 11:08:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

黑洞,由于观察极难,它一直充满着神秘面纱,人们对它的真面目也十分渴求。


其实早在好几天以前,第一张黑洞照将问世的预告就已经出来,编者也非常期待。

现在,人类第一张黑洞照片终于面世,这有可能是2019年全世界最重要的物理成果。


▲人类首张黑洞照片。图片来源:事件视界望远镜国际合作组织

能成为第一批看到黑洞照片的人类(之一),感觉自己还是挺幸运的。早前,外界不少人预测,人类第一张黑洞照片有可能只有几个像素的模糊点,如今看来还挺清晰的。

什么是黑洞?

首先要知道,黑洞不是洞,它是一个连光线都无法逃脱的天体(或者简单的说就是球体)。

黑洞是怎样形成的?

黑洞基本上是由天体坍塌形成的,比如常见的是恒星。

我们都知道,恒星内部进行着剧烈的聚变反应,这种向外的力道平衡了其外壳的巨大重力。但是,当恒星燃料耗尽,产生的爆炸力量再也无法撑起其外壳的重力时,外壳就无法避免的向内部塌陷,最后整个恒星就会形成一个体积无限小、密度无限大的一个新天体,在一定区域内(视界面),这个新天体引力大得连光线都无光逃离(肉眼及探测设备也就无法直接“看”到),它就是黑洞。


即使燃料耗尽,也不是所有的恒星都会坍缩成黑洞,科学家计算出来的结果是:

低于1.44倍太阳质量,燃料耗尽依然能对抗自身引力,不会坍缩;

1.44~9倍太阳质量,最终会坍缩成白矮星;

9~25倍太阳质量,会演变成超新星爆发,最终会坍缩成中子星;

大于25个太阳质量的恒星,才有资格坍缩成黑洞。

理论上,任何物体,只要被压缩到足够小(史瓦西半径),都可以变成黑洞,比如将太阳压缩成直径6公里大小的球体,将地球压缩成直径18毫米的球体,就会形成黑洞。

但实际上,要想成为黑洞,还是需要门票的,不是谁都有这个资格。

还有另外一个问题,黑洞如何探测?

我们看到一个物体是需要一定媒介的,这个介质通常就是光,要么自身会发光的,比如电灯;要么能反射光线,比如电灯光照到书本上,书本再反射到我们眼睛里,于是就看到了书;

光线既然无法从黑洞逃逸,也就意味着不会有来自黑洞的光进入到我们的眼睛或探测设备,也就意味着无法直接“看”到黑洞。


那么该如何“看”到黑洞呢?

以前是间接探测。因为黑洞引力太大,几乎可以吞噬一切,所以它一定会对周围天体与时空产生影响,比如引力红移、光线弯曲,等等。

还有,黑洞自身也具有一些特点,比如吸积盘、喷流等等。

科学家们通过上面这些特点,以前间接证实了黑洞的存在。

但这一次,全球30多个科研机构、200多名科学家进行了强强联合,最终直接拍到了黑洞的首张照片。

要拍黑洞很难,一方面是上面说过的,光线无法从黑洞逃离;

还有一个原因就是黑洞离我们太远。

比如人类这次拍摄的离我们“最大”的两个黑洞(即银河系中心黑洞Sgr A*与射电星系M87中心黑洞),虽然它们极为巨大,由于距离太远,要想拍摄它们,相当于在地球上拍摄月亮上的一个橙子,难度非常大。

一个基本常识,要想拍更远、更小的物体,就要提高相机分辨率,而提高分辨率的基本做法就是提高像素,通常途径便是增大相机口径。

但是,如果建造单一的望远镜,无论多大,它的大小相对天体来说都是微不足道的。

于是,聪明的科学家们就想到了将全球一些重要位置且分辨率很高的望远镜组网,这样其口径就相当于整个地球大小,如此大的“望远镜”(实际上是一个望远镜阵列),想要拍摄黑洞就成为了可能。

虽然黑洞无法直接拍摄,但它周围的“风景”是可以拍摄得到的,周围的拍摄到了,这个无法拍摄的区域自然就以阴影的方式显现出来了,于是就“反向”拍摄到了黑洞。


黑洞的知识不重要,本文重点想说的其实是本次照片发布的地点。

黑洞首张照片于美国东部时间10日9时(北京时间10日21时),在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同步发布,以英语、汉语、西班牙语、丹麦语和日语发布这一重大成果。

是的,对于如此重要的发布活动,全球六席(七地),中国独占其二;六大发布语言,汉语位居其中。

想以前,中国哪有这样的待遇?

那时有的是“华人与狗不得入内”,有的是李小龙在电影里怒踢“东亚病夫”牌匾,有的只是顾维钧在巴黎和会上那一声替祖国悲怆而又无奈的疾呼……

但是现在,凡有重大国际活动,中国几乎都是其间的重要宾客甚至是“VIP”。


望远镜在全球分布示意图,红点代表望远镜所在地(摘自nature.com)

本次黑洞照片,中国并未缺席。

比如位于美国夏威夷的JCMT望远镜,属于东亚天文台,而中国国家天文台正是东亚天文台重要成员之一。

其实,在早期推动本次全球合作、中期进行望远镜观测,后期数据处理,中国都作出了大量贡献。

更进一步,这背后反应的是中国科技实力蒸蒸日上,综合国力日新月异。

所以,中国才成为了本次发布会的“VIP”,全球六地七席,中国占了2席,五大发布语言,汉语是其中之一。

须知,人们不会把发布会放到伊拉克,也不会使用利比亚语言同步直播,人们能看到的,只会是叙利亚外交官贾法里在联合国大厦前悲愤而又无奈的身影。



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 楼主| 发表于 2019-4-11 15:39:45 | 显示全部楼层

真实的黑洞长这样,解密史上首张黑洞照片拍摄过程 !
新京报讯 (记者杨砺)4月10日21时,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同时召开新闻发布会,宣布人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻超巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像。
这张图像的意义非同一般,它提供了黑洞存在的直接“视觉”证据,使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相对论,细致研究黑洞附近的物质吸积与相对论性喷流成为可能。
据介绍,此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像,人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。
1.神秘面纱背后的黑洞究竟长什么样子?
本次发布会的“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞,其质量是太阳的65亿倍,距离地球大约5500万光年。
此次全球六地发布的黑洞照片。
公布的照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像个橙色的甜甜圈,其黑色部分是黑洞投下的“阴影”,明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。
图片中即是M87星系中心超大质量黑洞(M87*)的图像,上方为2017年4月11日的图像,下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图像。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”,周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应所造成的。由这种上(北)下(南)的不对称性可以定出黑洞的自旋方向。
2.给黑洞成功拍照有多大的意义?
首先,对黑洞拍照使我们能够了解黑洞更多的细节特征,有助于天文学家理解喷流、吸积盘等结构的形成机理,北京师范大学物理学系副教授张宏宝介绍。
其次,此次拍摄的黑洞是一颗位于星系中央的大质量黑洞,被认为与整个星系的演化关系密切,观测得到的黑洞图像有望为我们揭示两者间的联系与作用机理。
此外,黑洞附近广义相对论效应非常明显,一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时间和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的扭曲。这一理论做出了不少重要预言,其中之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。
拍摄黑洞使我们有机会检验黑洞附近的真实情况是否符合广义相对论的理论预言,再次检验广义相对论。
3.什么样的黑洞适合拍照?
事实上,黑洞并不是孤立存在的,黑洞的中心是一个奇点,它的周围存在大量气体,据黑洞研究专家、国家天文台研究员苟利军教授介绍,由于黑洞的强大引力,气体会朝黑洞下落。而当这些气体被加热到数十亿度高温时,便会发出强烈的辐射。同时,黑洞也会以喷流和风的形式向外喷射物质和能量。
不过,虽说黑洞的阴影能被“看到”,但也不是所有黑洞都符合成像条件。由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着黑洞的质量越大,事件视界就越大,也越适合成像。因此,距离我们近的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。
用这一虚拟望远镜“拍照”的两个目前已知最优的候选体,一个是银河系中心黑洞Sgr A* ,一个是近邻射电星系M87的中心黑洞M87*。
此前,距离地球2.6万光年的Sgr A*从未被直接看到过,但其附近的恒星会受到它的影响,因此科学家认为,它真实存在。
此外,由于人马座的Sgr A*被宇宙尘埃和气体包围,观测难度大大增加。天文学家集中了位于南极洲、美洲和欧洲的6个地方的8台望远镜,组成“事件视界望远镜”,共同发射能穿透黑洞周围密集星云的窄频无线电波,来“对焦”这个著名的黑暗之地。
为了增加探测灵敏度,“事件视界望远镜”(EHT)所记录的数据量非常庞大。2017年4月份的观测中,每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据(相当于350万部电影,至少要几百年才能看完!)。
EHT采用专用硬盘来记录数据,再把它们送回数据中心进行处理。在那里,研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差,并把所有数据做互相关综合处理,从而达到信号相干的目的。
在此基础之上,通过对这些数据经过近两年时间的后期处理和分析,人类终于捕获了首张黑洞图像。
4.“事件视界望远镜”(EHT)项目是什么?中国也有参与者
2017年4月,“事件视界望远镜”启动对黑洞拍照,“冲洗”用了约两年时间。包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构参与了此次国际合作。
此外,我国科学家长期关注高分辨率黑洞成像研究,在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。在此次EHT合作中,中国科学家在早期共同推动了EHT的合作并参与了EHT望远镜观测时间的申请,同时协助JCMT望远镜开展观测并参与数据处理和结果理论分析等,为EHT黑洞成像做出了积极的贡献。
事件视界望远镜项目由13个合作机构组成,中国科学院天文大科学中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中国科学院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立,其中上海天文台牵头组织协调国内学者参与了此次合作。
中国科学院上海天文台研究员、副台长、学术委员会主任袁峰曾介绍,直接观测到黑洞相当于是给弯曲的时空拍照,需要望远镜有很高的分辨率。如果采用毫米波望远镜观测,根据公式测算,它的口径需要达到“地球直径”一样的长度。如果用光学望远镜需要达到几公里的口径,红外望远镜需要达到10-100公里口径。而人类目前建造最大的望远镜是口径只有500米的射电望远镜,位于我国贵州。
要想“视线”触及远距离黑洞,并能穿透弥漫气体及高温气体,就需要有一个与地球体型相当的巨型望远镜才行,“事件视界望远镜”(EHT)完成的正是这个任务。
事件视界望远镜并不是一个传统观念的观测平台,而是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列,根据加州大学伯克利分校天体物理学家贾森·德克斯特介绍:“这个观测计划是一个前所未有的实验,我们将获得更加清晰的黑洞周围图像信号。”
他表示,如果这一技术走向成熟,那么可在未来几年内提供令人惊讶的观测结果。“从地球上观测人马座A *,就如同我们观测月球上的一颗柚子,但是事件视界望远镜却可以胜任这一任务,它的分辨率可以观测月球上一个大小接近高尔夫球的物体。”
新京报记者 杨砺 编辑 王进雨 赵泽 校对 付春愔

 楼主| 发表于 2019-4-11 15:43:02 | 显示全部楼层

人类首张黑洞照片发布,被网友玩坏了 !
IT之家4月11日消息 北京时间4月10日晚9点,人类首张黑洞照片在全球六地的视界面望远镜发布会上同步发布,照片的主角是距离地球大约5400万光年外的M87星系核心的一个超大质量黑洞。
黑洞照片和科幻电影《星际穿越》中的黑洞形象相当接近,都是中间一个暗影,外面有一圈发亮的光环。黑洞的本体藏匿在阴影中,发光的部分则是黑洞周围吸积的气体。
这显然是非常具有历史意义的一刻,吸引了全球广大网友的关注,但画风很快就变了。由于这张黑洞的照片实在是跟很多我们日常见到的东西很像,网友表示控制不住自己的手。
下面是网友的脑洞:

发表于 2019-4-11 17:01:47 | 显示全部楼层
吴焱金 发表于 2019-4-11 15:43
人类首张黑洞照片发布,被网友玩坏了 !
IT之家4月11日消息 北京时间4月10日晚9点,人类首张黑洞照片在 ...

中国人终于成为了“VIP”的确令人鼓舞。

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参与人数 1老年币 +5 收起 理由
吴焱金 + 5 备受鼓舞!

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 楼主| 发表于 2019-4-11 18:15:36 | 显示全部楼层
佳子 发表于 2019-4-11 17:01
中国人终于成为了“VIP”的确令人鼓舞。

为中国自豪!


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