人類首張黑洞照片把大家帶入了一個新的世界，于是人們就會問：人類首張黑洞照片是什么樣子的呢？人類首張黑洞照片怎么拍的？為什么黑洞照片要“沖洗”兩年？人類首張黑洞照片為什么這么模糊？下面就為大家介紹一下這個不為大家所知的“黑洞”世界。 人類首張黑洞照片 黑洞是什么？ 在說關于黑洞照片之前，我們要了解什么是黑洞，黑洞到底有什么“魅力”，讓科學家們“魂牽夢繞”呢？ 黑洞就是中心的一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小，熱量無限大的奇點和周圍一部分空空如也的天區。它只允許外部物質和輻射進入， 而不允許其中的物質和輻射脫離其邊界。即使是光也無法逃脫黑洞的引力，因此，人們只能通過引力作用來確定它的存在，所以叫做黑洞，也叫坍縮星。  人類首張黑洞照片怎么拍的？ 我們都知道，北京時間2019年4月10日晚，人類歷史上首張黑洞照片“沖洗”完成，這張照片是5500萬光年外的大質量星系M87中心超大質量黑洞的黑洞陰影照片，質量為太陽的65億倍。這張酷似發光甜甜圈的照片一經公布，引來全球驚嘆，原來傳說中的黑洞就是這個樣子，黑洞連光都能吸進去，也就意味著黑洞周圍連時光都能扭曲，那么，你們知道人類首張黑洞照片怎么拍的？ 聰明的天文學家們把地球上現有的一些望遠鏡“組合”起來，就能夠形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡，其所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的。 于是，全球超過200名科學家達成了“事件視界望遠鏡”(EHT)這一重大國際合作計劃，決定利用甚長基線干涉測量技術。 最終，科學家們選定了來自全球多地的包括南極望遠鏡等8個亞毫米射電望遠鏡。它們多數都是單一望遠鏡，比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡。也有望遠鏡陣列，比如ALMA望遠鏡是由70多個小望遠鏡構成。” 第一步，選定目標 在組建大型虛擬望遠鏡的同時，科學家們也在尋找著合適的拍攝目標。 黑洞剪影和周圍環繞的新月般光環是非常非常小的。在拍照設備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標。 科學家們甄選了一圈之后，決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標：一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。 由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比，這也意味著質量越大，其事件視界越大。選定的這兩個黑洞質量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優的成像候選體。 盡管如此被選擇的兩個黑洞已是最優成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。 Sgr A*黑洞的質量大約相當于400萬個太陽，所對應的視界面尺寸約為2400萬公里，相當于17個太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2萬5千光年(約24億億公里)之遙。 這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那么小，就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。 M87中心黑洞的質量更為巨大，達到了60億個太陽質量。 盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因質量龐大，所以它的事件視界對科學家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大那么一點兒。 第二步，調試相機 要想看清楚兩個黑洞事件視界的細節，事件視界望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。 要多高呢？要比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上。但也別以為，只要虛擬望遠鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。 實際情況并沒那么簡單!如同觀看電視節目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，能夠在合適的波段進行觀測至關重要。 因為氣體在這個波段的輻射最明亮，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。在這種情況下，望遠鏡的分辨率取決于望遠鏡之間的距離，而非單個望遠鏡口徑的大小。 為了增加空間分辨率，以看清更為細小的區域，科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠鏡。 這樣設置是為了要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞，從而達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。  8個望遠鏡分布區域 第三步，正式拍攝 8個望遠鏡北至西班牙，南至南極，它們將向選定的目標撒出一條大網，撈回海量數據，為我們勾勒出黑洞的模樣。 留給科學家們的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間。對于2017年來說，是在4月5日到4月14日之間。 除了觀測時間上的限制，拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。 “因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大，水會影響射電波的強度，這意味著降水會干擾觀測。” 中國科學院上海天文臺研究員沈志強說，“要想視界面望遠鏡順利觀測，需要所有望遠鏡所在地的天氣情況都非常好。” 按照要求，計劃選擇的8個望遠鏡所在之處均是位于海拔較高，降雨量極少，全部晴天的概率非常高。此外，要成像成功還必須要求所有望遠鏡在時間上完全同步。 北京時間2017年4月4日，事件視界望遠鏡啟動拍攝，將視線投向了宇宙。最后的觀測結束于美國東部時間4月11日。 觀測期間，每一個射電望遠鏡都收集并記錄來自于目標黑洞附近的射電波信號，這些數據然后被集成用于獲得事件視界的圖像。  人類首張黑洞照片后期處理 為什么這張“簡單”且“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？ 首先，望遠鏡觀測到的數據量非常龐大。2017年，望遠鏡的數據量達到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠鏡，數據量繼續增加。龐大的數據量使處理的難度不斷加大。 其次，在數據處理的過程當中，科學家也遭遇了不少技術難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環境當中，其運動有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學家們還專門開發了特定的程序和工具。 再次，為了保證結果的準確性，在最終數據處理的時候，嚴謹的科學家們在兩個不同的地方分別處理、分別驗證。全世界范圍內設立了兩個數據中心，一個是位于美國的麻省理工學院，另外一個是位于德國的馬普射電所。二者彼此獨立地處理數據，也彼此驗證和校對，保證了最終結果準確可靠。  黑洞想象圖 為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？ 黑洞研究歷時已久，4年前引力波已經讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？ 簡單地說是因為黑洞區域實在太小了——而之前望遠鏡角分辨率或者放大倍數不夠，在過去幾年中，我們才真正實現了能夠看到黑洞附近區域的分辨能力。 其實，早在2017年進行全球聯網觀測之前，全球很多科學家已經為此努力了十多年的時間，并且利用望遠鏡陣列當中的幾個進行了聯網嘗試，探測了銀河系黑洞附近的區域，結果確實在亞毫米波段探測到了周圍的一些輻射，這給了團隊很大的信心。 在此之前，盡管科學家們已經掌握了很多證明黑洞確實存在的電磁觀測數據，但是這些證據都是間接的——少數科學家會提出一些怪異的理論來作為黑洞的替代物，因為我們并沒有直接觀測到黑洞的模樣。 2016年探測到的雙黑洞合并產生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對于更傾向于“眼見為實”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探測到之后，視界面望遠鏡并沒有放棄觀測，反而以全球聯網的方式，把這一探測技術推向了極致。  銀河系中心黑洞想象圖 黑洞照片為什么有點模糊？ 湖南師范大學物理與電子科學學院陳松柏教授介紹說，模糊的原因有：望遠鏡的分辨率、星際氣體的消光效應等。 另外，照片中黑洞周圍光的顏色是科學家根據光的強度分布添加上去的。由于多普勒效應，遠離我們運動的物質發的光亮度偏暗，向我們運動的物質發的光偏亮。正如火車向我們駛來時其汽笛聲的聲調變高，而離開時其聲調變低。因此，由此可以判斷黑洞周圍物質繞黑洞的運動方向。 銀河系中心黑洞周圍氣體的活動沒有 M87 的強，產生的射電電磁波沒有 M87 的強，從而影響了它的成像，此外，銀河系的星際氣體的消光效應也比較強。 “由于黑洞陰影的精細結構沒有拍出來，因而盡管可以初步估測出黑洞的一些參數（如質量和旋轉參數）和愛因斯坦的廣義相對論預測的一致，但為其它引力理論留下了一些存在的空間。”陳松柏表示，黑洞照片主要價值在于拍到黑洞視界的形狀和大小，進而可以判斷確定黑洞的參數（如旋轉參數、質量）以及黑洞周圍的磁場等，可以揭秘黑洞從吸積盤吞噬物質的過程以及黑洞噴流的直觀圖像，還可幫助我們鑒別不同的引力理論，加深對宇宙的起源、演化及其加速膨脹等問題的理解，有助于人們揭開宇宙起源這一謎團。  黑洞正在吸附其他天體想象圖 人類首張黑洞照片有什么意義？ 1. 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。 2. 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。 3. 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。  電影星際穿越中的黑洞 黑洞真的可以穿越時空嗎？ 星際穿越這部電影很多人都看過吧，這是一部講述人類穿越的電影男主在一次意外之中掉入到了黑洞里面，但是最終卻逃了出來。既然黑洞真的存在，那黑洞真的能穿越時空去往未來或者是回到過去嗎？ 霍金表示人掉進黑洞中后，黑洞內部會發生時空扭曲，然后人類會被刀帶到另一個世界去生活，原來黑洞不只會吸收一些物質，還可以穿越時空。黑洞也是天體的一種，只不過是已經死亡了的天體，黑洞的由于它的體積過大，這也就使得黑洞的引力相對來說也比較的大，所以靠近黑洞的一切都會被黑洞所吸引，這也就是為什么黑洞被人類覺得恐怖的原因之一。因為黑洞有著強大的引力，如果人類靠近黑洞邊緣的話，只有一種可能，那就是會非常大的引力所吸引，然后被牽扯最終會被撕碎成粒子，然后掉入黑洞中想要出來，那是根本就不存在的事情。 而從另一方面來說，黑洞之所以能夠扭曲時空，就是因為黑洞附近的速度和光速是一樣的，這也就感覺黑洞像是靜止的一樣，所以在黑洞周圍的物體看起來都會非常的慢，比如在電影中，靠近黑洞的一小時就相當于地球上的7年，所以如果要靠近黑洞的話，似乎像是永遠停留在了黑洞的事件視界的邊緣一樣。可能在黑洞附近你停留幾秒鐘，可能在地球上就會是幾百年甚至幾千年的時間，這就是為什么很多科學家覺得靠近黑洞之后會實現穿越的原因。 但是，以目前的科技發展水平，人類連靠近黑洞都非常的難，更別說星際穿越了。 延伸閱讀： 為什么太空沒有氧氣_隕石為什么能燃燒？ 為什么用猴子作為太空實驗動物？ 為什么星星的位置會變化_星星的位置如何改變？ 彗星為什么會有尾巴_彗星為什么叫掃把星？ 火星為什么是紅色的？ |
