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作为宇宙间的当红“大咖”,黑洞可谓声名赫赫,但迄今人们都未曾见过其真面目。而今,据美国麻省理工学院官网消息,一种新算法可将多台射电望远镜提供的数据集成在一起,为黑洞的事件视界(指黑洞最外层的边界范围)生成首张图像。研究人员表示,首张照片最早于2017年“亮相”。

2019年 4 月 10 日注定是人类天文学和物理学界的一个里程碑。在这一天,我们见证了人类有史以来所拍得的第一张黑洞照片。

你们很多人可能都已经知道,4月10号,我们将看到一张来自于事件视界望远镜的所谓的“黑洞的第一张照片”。我不是观测天体的物理学家,所以我的问题是:他们是如何拍摄这张无线电图像的,它是否与质量更好的旧式射电望远镜一样,还是这张照片背后是否含有新技术?此外,在现有的天体物理学课程中,我看到一些视频,其中一些恒星围绕教授说的SgrA*运行。这不就是黑洞的照片吗?还是我们希望看到不同的东西吗?最后,这些发现,是会对黑洞的研究产生影响,还是只是对我们已知的有更好的认识而已?

天文学家捕获首张黑洞照片!“事件视界望远镜”项目10日在全球多地同时召开新闻发布会,发布他们第一次拍到的黑洞照片。

4月10日晚,包括中国上海在内的全球多个地方同步公开了黑洞“照片”。这是全球200多位科学家历时两年多、首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜,在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获的世界首张黑洞图像。

新算法名为“使用补丁优先的连续高分辨率图像重建”,由MIT计算机科学和人工智能实验室、海斯塔克天文台以及哈佛-史密松森天体物理中心的研究人员联手开发。作为国际项目“事件视界望远镜”的一部分,新算法可以整合多台射电望远镜收集的信息,最终目标是将整个地球各地的望远镜整合成一个虚拟的大型射电望远镜。

但当大家都在庆祝这一重大成就时,却鲜有人提到其背后的功臣,麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 的一位女性计算机科学家: 凯蒂·伯曼(Katie Bouman)。

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该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。“事实印证,爱因斯坦是正确的,他的广义相对论经受住了考验,得到了首次试验验证。”在当天举行的新闻发布会上,中科院上海天文台台长沈志强说。

新算法负责人、MIT电子工程和计算机科学研究生凯蒂·鲍曼表示:“无线电波有很多优势,能穿墙而过,也能穿透星际尘埃。但它属于长波,需要大型抛物面天线。目前世界上最大射电望远镜的直径约为305米,但所生成的月球图像,比普通光学望远镜还要模糊。黑洞距离我们非常遥远且内核致密,给银河系中央的黑洞拍照,就好比用射电望远镜给月球上的一颗葡萄柚拍照,要得到清晰图像,需要直径达1万千米的望远镜,但这是不可能的,因为地球的直径不到1.3万千米。”

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上述图片由电脑合成的黑洞外观图片,本文都是

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相一致,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。

黑洞不是“洞”

事件视界望远镜项目采用的办法是对全球多台射电望远镜的观测数据进行整合,目前已有6台望远镜签署了合作协议,更多望远镜可能紧随其后。但即便加入的望远镜数量翻番,与1万千米直径的抛物面望远镜提供的数据量相比,还是存在巨大差异。而新算法有望解决这一问题。

图 | Katie Bouman (来源:MIT CSAIL/Twitter)

事件视界望远镜是一项全球多个天文观测站的联合合作项目,主要是协调观测射手座A*周围的环境。这些观测结果将回答一些关于长期以来引起我们兴趣的黑洞的实际问题,例如:

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1915年,物理学家爱因斯坦发表广义相对论,提出了一个大胆的假设:宇宙中存在一种引力和密度都无限大的宇宙天体——黑洞。在它周围一定区域内,有个连光线也无法逃离的势力范围,这一势力范围叫作“事件视界”。

研究参与者表示,目前几乎所有工作都已准备就绪,将于2017年开始给黑洞拍照,拍摄出的图像将对包括广义相对论在内的物理学领域多个核心假设进行验证。广义相对论认为,像黑洞这么大质量的物体将能弯曲时空,如果这一说法属实,科学家能在图像中看到这一点。

凯蒂在事件视界望远镜项目中起到了极为重要的作用:是她所发明的算法,把来自全球各地射电望远镜的数据“拼接”成我们如今非常熟悉的那张黑洞照片。

  1. 正如广义相对论所预测那样,黑洞具有明确的尺寸。

长期以来,人类无法直接观测黑洞。但科学家们也发现,黑洞吸集周围物质的时候,某些物质和辐射 也会沿着磁场线 喷出去,产生喷流。这为人类第一次给黑洞"拍照"提供了可能。

在相当长一段时期内,黑洞预言无法证实。这一看不见、摸不着,却长久以来存在于科学家们想象和推算中的神秘天体,究竟是否存在?“但目前,天文学家普遍相信黑洞确实存在于宇宙之中。”中科院上海天文台研究员路如森介绍。

简单来说,想拍摄一个 5500 万光年外的黑洞需要一个直径为 1 万公里的射电望远镜,但地球的直径才只有 1.27 万公里,显然不可能真的去建造这样巨型的望远镜。因此,EHT 项目只能选择用位于全球各地的8个射电望远镜“拼出”一个直径 1 万公里的望远镜。

2.事件视界望远镜表明是圆形的,或者相反地,是椭圆形的。

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中科院上海天文台台长沈志强表示,质量天文学家将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞。而且,超大质量黑洞存在于几乎所有星系的中心。

但由于这个超大的射电望远镜镜面上有着大量的漏洞,它必须通过算法才能“补全”所拍摄的图像。这就是凯蒂发明的 CHIRP算法,既“使用预先图像块的连续高分辨率图像重建"算法 (ContinuousHigh-resolution Image Reconstruction using Patch priors” )。

3.无线电广播的范围将比你想象的更广。

据了解,这张黑洞照片由事件视界望远镜捕获。"事件视界望远镜"项目由多国科研人员组成,包括中国科学院上海天文台等国内机构。项目利用分布在世界各地的射电望远镜,组成一台口径相当于地球直径的虚拟望远镜,拍摄黑洞。2017年4月,望远镜启动拍照,并用两年的时间,制作出这张黑洞照片。

如何给黑洞“拍照”

当然,就像凯蒂所说的那样,像 EHT 这样的项目能够成功,正是不同学科的研究人员用各自的专业知识一起创造的结果。但不论如何,凯蒂本人功不可没。

4.它将会和预期的行为有一些别的偏差。

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欲睹黑洞“芳容”,全世界科学家翘首以待了上百年,因为给黑洞“拍照”太难。

而说到这次天文学里程碑事件背后的功臣,就不得不提到 50 年前的另一次里程碑事件中的一位传奇女性:人类首次登月的阿波罗 11 号任务以及阿波罗项目的飞行计算机编程总监、“软件工程”概念的先驱——玛格丽特·汉密尔顿(Margaret Hamilton)。

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为揭开黑洞的神秘面纱,2017年,一项黑洞观测计划,即“事件视界望远镜”计划正式启动。

9778818威尼斯官网为了让大家更多的收获,你们等了一天的黑洞照片来了。正是这位女性计算机科学家带领麻省理工学院仪器实验室(MIT Instrumentation Lab)设计的飞行程序,确保了阿波罗 11 号成功降落在月球,而不是在最后一刻因为一个硬件缺陷而放弃着陆。

EHT的主要目标是将整个地球转换成一个大型射电望远镜天线(相当于地球直径大小的射电望远镜)。无线电波观测有很多优点,无线电波可以穿过墙壁时,同样也可以穿过银河尘埃。而我们是不可能在可见光波段看到我们银河系的中心的,因为在这两者之间有太多的物质了。

路如森解释,黑洞本身的确是不发光的,但是这种被极度压缩的完全黑暗的天体,因为强引力的特性可以让时空弯曲,并吞噬周围的气体。在此过程中,气体的引力能转化成热能,气体的温度变得很高,进而发出强烈的辐射。而在这些明亮的气体衬托下,黑洞会产生一个黑洞剪影,这一剪影就是我们能看到的最接近黑洞本身的图像。

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路如森说,剪影和发光的气体之间会有一个分界,也就是事件视界。事件视界比黑洞阴影的尺寸小,大小约400亿千米视界之内,我们无法看到,但对事件视界进行拍照,黑洞的样子也就勾勒出来了。

图 | 左:麻省理工学院计算机科学家Katie Bouman与存满了黑洞图像数据的硬盘。 右:麻省理工学院计算机科学家MargaretHamilton与她所写、把人带上月球的程序代码 (来源:MITCSAIL/Twitter)

但是由于银河系中心的无线电波信号非常弱,所以需要很大的天线。世界上最大的单天线射电望远镜直径约为500米,但它所产生的月球图像将比我们通过小型光学望远镜所看到的图像更加模糊。黑洞非常遥远,而且非常致密,所以拍一张银河系中心黑洞的照片就相当于在月球上拍一枚硬币的照片,而且还要用射电望远镜。

按照EHT计划,全世界200多位科学家组成空前庞大的“战斗阵营”,利用全球多地的8个亚毫米射电望远镜及其阵列,组成一个虚拟的望远镜网络,即“事件视界望远镜”,同时对黑洞展开观测。

虽然在这50年里,科学与技术经历了翻天覆地的发展,但不变的是那些麻省理工学院,一次又一次地为各种科技突破做出重大贡献的的优秀科学家们。

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何以如此兴师动众?因为黑洞距离我们太过遥远,无论哪一单个望远镜都只能望洋兴叹。“形象点说,望远镜若想看到黑洞的事件视界,好比我们人类站在地球去看月球上的一个橙子。困难程度可想而知。”沈志强说,“M87中心的黑洞质量巨大,又相对接近我们,是地球上看过去角直径最大的黑洞之一,也因此成为EHT的一个完美目标。”

EHT与GMVA之望远镜阵列分布。其中ALMA和IRAM同时属于两个阵营

“事件视界望远镜”的分辨率可以达到多少?一般来说口径越大分辨率越高。

给这么小的东西拍照意味着我们需要一个相当大的望远镜,直径大约10000公里,这是不切实际的,因为地球的直径才刚刚超过13000公里直径。而一个解决方法被EHT正式通过,就是通过协调位于彼此很远的地方的射电望远镜进行的测量。但即使是现有望远镜的两倍,当它们接近作为1万公里的天线功能时,也会在数据上留下巨大的缺口。

沈志强说,要想看清楚黑洞视界面的细节,视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。为此,EHT观测使用了甚长基线干涉测量技术,观测波段是1.3毫米。世界各地的射电望远镜同步观测,同时利用地球自转,形成一个口径如地球大小的虚拟望远镜,分辨率约20微角秒。

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虚拟望远镜成功组合只是第一步。这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区。沈志强说,在平原上由于信号弱不适合观测,这些望远镜所在的地区大多是海拔三四千米的山区,空气稀薄,若在上面连续观测,对工作人员来说是项挑战。

位于智利阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列

但是更大的挑战来自于天气。因为只有这8个望远镜及其阵列同时顺利观测到黑洞,才能达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。而现实是,留给科学家们观测的窗口期非常短暂,每年大约只有10天。

正常情况下,一个射电信号将会在稍微不同的时间到达任何两个望远镜。想要从这些信号中提取视觉信息,考虑到这种差异是很重要的,但是地球的大气同样可以减慢无线电波,增大到达时间的差距,破坏在基于干扰量度法的图像上的计算。然后,科学家们采用了一种巧妙的代数方法来解决这个问题:如果你把三个望远镜的测量值相乘,大气噪声引起的额外延迟就可以相互抵消。这意味着每一次新的测量需要三个望远镜的数据,而不仅仅是两个,这样一来可以通过精度的提高来弥补信息的损失。黑洞摄影

“以夏威夷地区为例,去年有两次观察期,天气很好,非常适合观测。”沈志强说。

我最近读到了一篇报道。据报道,视界望远镜拍到了一张黑洞的图像并且将于4月10日公之于众。我很好奇这张图像是如何被拍到而这张关于黑洞的图像意味着什么?我唯一能想到的解释是它拍摄位于黑洞周围的星行物,然后星行物的“突然消失”指出了黑洞的出现。能否有人解释黑洞的图像是如何被拍摄的和事件视界望远镜的工作原理这两个问题。

多次独立的EHT观测通过多个校准以及不同的成像方法均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域,即黑洞阴影。

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“黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克说,“这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”

该项目正在使用电波望远镜网络来测量黑洞周围吸积盘中电离物释放出的无线电波,并且通过相对论性喷流中的电离物可以看出它正从旋转轴中被喷射出来。我们既已有射电望远镜,如何拍摄到那么远的黑洞?

未来还会做什么

为了解决如此遥远的问题,需要将来自地球上许多望远镜的信号结合起来,以获得尽可能大的有效基线。这个黑洞大约有400万个太阳质量,所以它的视界半径是10101010米。距离我们大约8000秒差距(1秒差距等于3.2光年),高度多于1020米。所以它在天空中的角度只有10

“一旦我们成功对黑洞阴影成像,就可以将观测结果与理论预言相比较,检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是,我们所观测到图像的许多特征与理论预言相一致。”EHT董事会成员贺曾朴评论道,“这使得我们对观测的理论解释,包括对黑洞质量的测量,都充满信心。”

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拍到震撼人心的黑洞照片,是众多科学家团结协作的结果。而且,我国科学家在其中扮演了不可或缺的角色。他们长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究,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,我国科学家在早期EHT国际合作的推动、EHT望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面作出了中国贡献。

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另外,在EHT全球联合观测的2017年3月至5月,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终这个M87黑洞成像提供了总流量的限制。

即使是超大质量的黑洞也不是特别大。而这个位于我们银河系中心的黑洞的半径比我们地球轨道半径小约13倍。相当于去处理一个距离我们约26000光年的小型太阳系。相当不容易!

“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点站。”沈志强说,“我们期望也相信在不久的将来,EHT会有更多令人兴奋的结果。”

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“我们已经做到了上一代人认为不可能做到的事情。”天体物理中心哈佛大学及史密松宁学会EHT项目主任谢泼德·多尔曼总结说,“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”

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(原载于《经济日报》 2019-04-11 04版)

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