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黑洞長這樣!人類首次拍到黑洞照片,全球七地聯合發布!

澎湃新聞記者 虞涵棋 張唯 徐路易 楊漾

2019-04-10 21:07 來源:澎湃新聞

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天文學家捕獲的首張黑洞照片(事件視界望遠鏡合作組織提供)
4月10日,通過協調召開全球新聞發布會,事件視界望遠鏡(EHT)宣布已經成功獲得了超大黑洞的第一個直接視覺證據。EHT是一個通過國際合作而實現的、由八個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列,主要旨在通過形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡來捕捉黑洞的圖像。
《天體物理學雜志通信》于4月10日以特刊的形式通過六篇論文發表了這一重大結果。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系Messier 87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。
EHT把地球上的望遠鏡“組合”起來形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的。百年之前,愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證。如今,作為多年國際合作的結果,EHT為科學家們提供了研究宇宙中最極端天體的新方法。
“我們捕獲到了黑洞的首張照片”,來自天體物理中心哈佛大學及史密松寧學會的EHT項目主任Sheperd S. Doeleman說,“這是一項由200多位科研人員組成的團隊完成的非凡的科研成果。”
黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體,在一個很小的區域內包含著令人難以置信的質量。這種天體的存在以極端的方式影響著周圍的環境,讓時空彎曲,并將周圍的氣體吸引進來。在此過程中,氣體的引力能轉化成熱能,因此氣體的溫度變得很高,會發出強烈的輻射。
“如此一來,黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內,我們期望著黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的,可我們以前從未見過。”EHT科學委員會主席、來自荷蘭Radbound大學的Heino Falcke解釋。“這個暗影的形成,源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質,也使得我們能夠測量M87黑洞的巨大質量。”
多次獨立的EHT觀測通過多個校準以及不同的成像方法均揭示了一個環狀的結構及其中心的暗弱區域,即黑洞陰影。
“一旦我們成功對黑洞陰影成像,就可以將觀測結果與理論預言相比較,檢驗考慮了時空彎曲、超高溫及超強磁場等物理性質在內的大量模型。令人驚訝的是,我們所觀測到圖像的許多特征與理論預言相匹配”,EHT 董事會成員賀曾樸評論道,“這使得我們對觀測的理論解釋,包括對黑洞質量的測量,都充滿信心。”
創建EHT是一項艱巨的挑戰,需要升級和連接部署八個現有的射電望遠鏡來組成全球網絡,而這些望遠鏡分布在各種具有挑戰性的高海拔地區,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。
EHT 觀測使用了甚長基線干涉測量(VLBI)技術,觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠鏡同步觀測,同時利用地球自轉,形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,達到的分辨率約 20 微角秒,足以在巴黎的一家路邊咖啡館閱讀紐約的報紙。
參與此次觀測的望遠鏡包括ALMA、APEX、IRAM 30米望遠鏡、James Clerk Maxwell望遠鏡、大毫米波望遠鏡(LMT)、亞毫米波陣(SMA)、亞毫米波望遠鏡(SMT)和南極望遠鏡(SPT)。馬普射電所和麻省理工學院 Haystack天文臺的專用超級計算機負責了對原始觀測數據的互相關工作。
EHT的建設和今天宣布的觀測結果源于數十年觀測、技術和理論工作的堅持和積累。這與來自世界各地的研究人員的密切合作是分不開的,是全球團隊合作的典范。13個合作機構共同創建了EHT,使用了既有的基礎設施并獲得了各種機構的支持。主要資金由美國國家科學基金會(NSF)、歐盟歐洲研究理事會(ERC)和東亞資助機構提供。
這一激動人心的成果受到了中國科學院天文大科學中心(CAMS)的支持,CAMS由中國國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立,是EHT的一個合作機構(EHT共有 3 個合作機構)的成員。上海天文臺臺牽頭組織協調國內學者通過該合作機構參與此次EHT項目合作。
“對 M87 中心黑洞的順利成像絕不是 EHT 國際合作的終點站,”上海天文臺臺長沈志強研究員說。“ 我們期望也相信在不久的將來 EHT 會有更多令人興奮的結果。”
“我們已經取得了一代人以前認為不可能做到的事情”,Doeleman 總結到。“技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創新的算法都匯聚到一起,打開了一個關于黑洞和事件視界的全新窗口。”
注釋:
【1】 黑洞陰影是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像,黑洞是一個完全黑暗的天體,連光線也沒法逃離它的勢力范圍。黑洞的勢力范圍——事件視界(EHT 便以此為名)——比黑洞陰影的尺寸小約 2.5 倍,大小約 400 億千米(對 M87 中心的超大質量黑洞來說)。
【2】 超大質量黑洞是相當小的天體,以至于幾乎很難被直接看到。由于黑洞的尺寸正比于它的質量, 黑洞質量越大,黑洞陰影越大。M87 中心的黑洞質量巨大,又相對接近我們,是從地球上看過去角尺寸最大的黑洞之一,也因此成為 EHT 的一個完美目標。
【3】 雖然這些射電望遠鏡沒有物理上連接,但借助氫原子鐘精確計時,各臺望遠鏡實現了數據記錄的同時性。在 2017 年的全球觀測中,觀測波段是 1.3 毫米。EHT 的每一臺望遠鏡都產生了大量的數據,每天約生成 350 太字節的數據。這些數據被存儲在高性能的充氦硬盤上。隨后,這些數據被空運至被稱作相關器的高度專業化超級計算機進行合并處理,這些超級計算機位于馬普射電所和麻省理工學員海斯塔克天文臺。在那里,合作開發的新型計算工具將精心處理數據并轉換為圖像。
【4】 100 年前,為了通過觀測星光是否會因太陽引力彎曲來檢驗廣義相對論,兩支科學探險隊前往非洲海岸的普林西比島和巴西的索布拉開展 1919 年的日食觀測。作為 1 個世紀后的回應,EHT已經派遣團隊成員前往世界上最高和最偏僻的射電觀測臺站,去再一次檢驗我們對引力的理解。
【5】 隨著 IRAM NOEMA 天文臺、格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡加入 EHT,未來 EHT 的靈敏度將顯著提高。
更多信息:
這項研究將于今天以一系列六篇文章發表在“天體物理學雜志快報”(ApJL)上。
EHT 合作涉及來自非洲、亞洲、歐洲、北美洲和南美洲的 200 多名研究人員。該國際合作正致力于通過創建與地球大小相當的“虛擬”望遠鏡來捕捉最精細的黑洞圖像。在相當多的國際投資的支持下,EHT 使用新穎的系統連接現有的望遠鏡,實現了一種具有最高角分辨本領的新觀測設備。
所涉及的各個望遠鏡是; ALMA(73 米)、APEX(12 米)、IRAM 30 米望遠鏡、IRAM NOEMA 天文臺、James Clerk Maxwell 望遠鏡(JCMT,15 米)、大毫米望遠鏡 Alfonso Serrano(LMT,32.5 米)、亞毫米波陣列(SMA,14.7 米)、亞毫米望遠鏡(SMT,10 米)、南極望遠鏡(SPT,6 米)、基特峰望遠鏡和格陵蘭望遠鏡(GLT)。
責任編輯:李躍群
校對:欒夢
澎湃新聞報料:4009-20-4009   澎湃新聞,未經授權不得轉載
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