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黑洞

眼前的黑不是黑,宇宙中最深不见底的黑洞的黑,是怎么被人类的眼球捕获的?

在所有人都把目光投向黑洞的那一刻,我们短暂地共享了 5500 万光年外那个正在消亡的世界。这是唯有宇宙才能带给我们的震撼和浪漫。

邢逸帆

发布于 2019年4月11日

昨天,天文学家公布了史上首张黑洞照片。

在苦苦追寻了 200 年后,太空中最神秘、最危险的“宇宙陷阱”,终于向人类展示了自己的真面目。

在这张略显模糊的照片上,一个尘埃和气体构成的光环勾勒出了巨大的黑洞轮廓,这些尘埃和气体正稳定地“喂养”着光环正中不断膨胀的怪物——M87 星系中心的超大黑洞。

这颗黑洞距离地球 5500 万光年,质量比 65 亿颗太阳还重,是人类能观测到的第二大黑洞。

这张黑洞照片和之前人类幻想的宇宙图景如此不同。比起《星际穿越》里壮丽的黑洞“卡冈图雅”,真实的黑洞更像是《魔戒》中的索伦之眼,让人们意识到黑洞的本质。

爱因斯坦在广义相对论中预言了黑洞的存在——当巨大的质量被高度压缩时,它产生的引力会把一切物体吸入其中,甚至连光线也无法逃脱。

黑洞吸积盘,图源:Science Daily
黑洞吸积盘,图源:Science Daily

根据爱因斯坦的理论,质量、空间、和时间都会在黑洞中心的奇点归零。

理论已经证实了黑洞存在的可能性,黑洞活动产生的吸积盘和喷流也不断地被观测到,三年前,人类还首次捕捉了两个黑洞合并时发出的引力波。但这些证据都是间接的,直到这张照片的诞生,人类才第一次获得了黑洞存在的直接证据。

如何捕获宇宙中最黑的黑?感谢光

假设一个黑洞周围空无一物,那我们将看到宇宙中最黑的黑。因为黑洞极端的质量和密度,就连电磁波也无法逃脱黑洞的捕获。但幸运的是,黑洞的运动会留下痕迹。

当黑洞“吃东西”时,黑洞会吸附附近的气体,形成一个混杂着高温气体和尘埃的圆环,也就是吸积盘。在黑洞吞噬质量时,盘中不断旋转的物质会产生巨大的能量,以光辐射的形式散失出来,无比耀眼。

除了吸积盘,更容易被观测到的黑洞活动是喷流。黑洞“吃不下”的时候,有一部分气体会在被黑洞捕获前,在磁场作用下被甩出去,形成一股容易被观测到的发光气流,这就是喷流。这次照片的主角 M87 黑洞就拥有一道长达 5000 光年的喷流。

黑洞的结构示意图
黑洞的结构示意图

在这些“勉强逃脱”的气体和尘埃发出的光芒里,漆黑一团的地方,就是黑洞的事件视界。一旦越过了事件视界,所有的世界线都将在此终结,视界中任何的事件皆无法对视界外的观察者产生影响。

因此,黑洞内部是什么我们永远也无法知道,只能通过黑洞周围的光辐射来观察它。

口径和地球一样大的虚拟望远镜

尽管黑洞的体积如此之大,光辐射如此显眼,但真正观测黑洞却难上加难。

目前为止,天文学家确定的黑洞只有 20 多个,从其中找一个合适的拍摄对象,选择就更有限。就连视界面和十几个太阳差不多大的 M87 中心黑洞,由于和地球距离过远,看起来也不过是针尖大小。

用科学家的话来说,观测 M87 就像是“在地球上观察月球表面的一颗橘子”,或者是“在纽约观测一粒位于洛杉矶的高尔夫球上的凹槽”。

每个像素都有150万个橘子那么大,图源:TED
每个像素都有150万个橘子那么大,图源:TED

为了看到这么“小”的黑洞,我们就需要更大、分辨率更高的望远镜。然而目前,就连口径达到 500 米的、地球上最大的射电望远镜 FAST 都无法达到这个要求。

通过计算,科学家发现,想要看清 M87 黑洞,这个望远镜的口径竟然要和地球一样大!

尽管制造和地球一样大的望远镜是不可能的了,但科学家并没有因此放弃。联合世界各地的八台射电望远镜,一台虚拟口径和地球一样大的“事件视界望远镜”(简称 EHT)启动了。

绿点为望远镜当前位置,紫点为未来位置,蓝点为过去位置。图源:EHT官网。
绿点为望远镜当前位置,紫点为未来位置,蓝点为过去位置。图源:EHT官网。

利用甚长基线干涉技术(VLBI),相隔数十万公里的射电望远镜实现了天线的互相协调,能够同时观测同一目标并记录下数据。这些望远镜有的位于南极点,有的位于夏威夷,有的位于西班牙,为了使八个望远镜能同时观测到目标黑洞,必须保证这八个地点的天气状况统统良好、且面对黑洞。

这样一来,一年中可以用于拍摄的窗口期只剩下大约十天(在拍摄 M87 时为2017年4月)。

然而这十天过后,“冲洗照片”的漫长旅程才刚刚开始。

十天里,EHT 产生了大约 5PB(1PB=1024TB)的数据量,根本不可能通过互联网传输。因此,各个观测点只能把存有数据的硬盘运往美国麻省理工大学和位于德国的马普射电天文研究所,由超级计算机进行处理。

据美国国家科学基金会学者称,最终,存储 8 台望远镜数据的硬盘重量足有半吨重。

生成黑洞图片的流程。图源:美国国家科学基金会
生成黑洞图片的流程。图源:美国国家科学基金会

残缺的照片

然而,这台“口径和地球一样大”的望远镜只有八个数据采集点,有限的观测点造成了大量的数据缺失。

想从这些缺失的数据中还原出一张黑洞的照片,就好像在一架琴键坏掉的钢琴上弹奏乐曲。尽管音符残缺不全,但所有的音符都会导向同一个曲调,随着音符不断增加,整个音乐的曲调也就越来越明晰。

为了帮助大家理解照片的还原过程,EHT 还制作了一段音频。

即便如此,由八个望远镜传回的数据拼凑出的黑洞图像还是有无限的可能性。为了减少干扰,EHT 项目的科学家们利用算法降低了“长相不像黑洞”的图片的权重,留下符合理论中圆形有环的黑洞形象的照片,这也就是为什么我们得到的黑洞写真如此模糊,宛如“一滩咖啡渍”。

换句话说,我们仍未知道 M87 黑洞的真容,我们只是在理论指导下,利用算法还原了残缺的图像,拼出了最接近真实黑洞的照片。

目前,对 M87 的观测数据的解析仍在进行,而在之后也会有更多的观测点和学术机构参与 EHT 计划,其中包括影像解析度提高了十倍的格陵兰射电望远镜,和北半球最大的天文观测点基特峰国家天文台。

相信不久的未来,我们就会获得更清晰完整的黑洞照片。

也许我们有生之年都无法离开地球表面,但至少在所有人都把目光投向黑洞的那一刻,我们短暂地共享了 5500 万光年外那个正在消亡的世界。这是唯有宇宙才能带给我们的震撼和浪漫。

图源:DeLuce Art
图源:DeLuce Art

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邢逸帆

资深作者 联系邮箱:xingyifan@pingwest.com

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