黑洞連光線都可以吞噬,這張「史上第一張黑洞照」是怎麼拍的?

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圖、文/品玩 Pingwest,蘋果仁授權轉載

昨天,天文學家公佈了史上第一張黑洞的照片

在苦苦追尋了200 年後,太空中最神秘、最危險的「宇宙陷阱」,終於向人類展示了自己的真面目。

在這張略顯模糊的照片上,一個塵埃和氣體構成的光環勾勒出了巨大的黑洞輪廓,這些塵埃和氣體正穩定地「餵養」著光環正中不斷膨脹的怪物——M87 星系中心的超大黑洞。

這顆黑洞距離地球 5,500 萬光年,質量比65 億顆太陽還重,是人類能觀測到的第二大黑洞。

這張黑洞照片和之前人類幻想的宇宙圖景如此不同,真實的黑洞更像是《魔戒》中的索倫之眼,讓人們意識到黑洞的本質。

愛因斯坦在廣義相對論中預言了黑洞的存在——當巨大的質量被高度壓縮時,它產生的引力會把一切物體吸入其中,甚至連光線也無法逃脫。

黑洞吸積盤,圖源:Science Daily黑洞吸積盤,圖源:Science Daily

根據愛因斯坦的理論,質量、空間、和時間都會在黑洞中心的奇點歸零。

理論已經證實了黑洞存在的可能性,黑洞活動產生的吸積盤和噴流也不斷地被觀測到,三年前,人類還首次捕捉了兩個黑洞合併時發出的引力波。但這些證據都是間接的,直到這張照片的誕生,人類才第一次獲得了黑洞存在的直接證據。

如何捕獲宇宙中最黑的黑?

假設一個黑洞周圍空無一物,那我們將看到宇宙中最黑的黑。因為黑洞極端的質量和密度,就連電磁波也無法逃脫黑洞的捕獲。但幸運的是,黑洞的運動會留下痕跡。

當黑洞「吃東西」時,黑洞會吸附附近的氣體,形成一個混雜著高溫氣體和塵埃的圓環,也就是吸積盤。在黑洞吞噬質量時,盤中不斷旋轉的物質會產生巨大的能量,以光輻射的形式散失出來,無比耀眼。

除了吸積盤,更容易被觀測到的黑洞活動是噴流。黑洞「吃不下」的時候,有一部分氣體會在被黑洞捕獲前,在磁場作用下被甩出去,形成一股容易被觀測到的發光氣流,這就是噴流。這次照片的主角M87 黑洞就擁有一道長達5000 光年的噴流。

黑洞的結構示意圖黑洞結構示意圖

在這些「勉強逃脫」的氣體和塵埃發出的光芒裡,漆黑一團的地方,就是黑洞的事件視界。一旦越過了事件視界,所有的世界線都將在此終結,視界中任何的事件皆無法對視界外的觀察者產生影響。

因此,黑洞內部是什麼我們永遠也無法知道,只能通過黑洞周圍的光輻射來觀察它。

口徑和地球一樣大的虛擬望遠鏡

儘管黑洞的體積如此之大,光輻射如此顯眼,但真正觀測黑洞卻難上加難。

目前為止,天文學家確定的黑洞只有20 多個,從其中找一個合適的拍攝對象,選擇就更有限。就連視界面和十幾個太陽差不多大的M87 中心黑洞,由於和地球距離過遠,看起來也不過是針尖大小。

用科學家的話來說,觀測M87 就像是「在地球上觀察月球表面的一顆橘子」,或者是「在紐約觀測一粒位於洛杉磯的高爾夫球上的凹槽」。

每個像素都有150萬個橘子那麼大,圖源:TED每個像素都有150萬個橘子那麼大,圖源:TED

為了看到這麼「小」的黑洞,我們就需要更大、解析度更高的望遠鏡。然而目前,就連口徑達到500 米的、地球上最大的射電望遠鏡FAST 都無法達到這個要求。

通過計算,科學家發現,想要看清M87 黑洞,這個望遠鏡的口徑竟然要和地球一樣大!

儘管製造和地球一樣大的望遠鏡是不可能的了,但科學家並沒有因此放棄。聯合世界各地的八台射電望遠鏡,一台虛擬口徑和地球一樣大的「事件視界望遠鏡」(簡稱EHT)啟動了。

綠點為望遠鏡當前位置,紫點為未來位置,藍點為過去位置。 圖源:EHT官網。綠點為望遠鏡當前位置,紫點為未來位置,藍點為過去位置。圖源:EHT官網。

利用甚長基線乾涉技術(VLBI),相隔數十萬公里的射電望遠鏡也達成了天線的互相協調,能夠同時觀測同一目標並記錄下數據。這些望遠鏡有的位於南極點,有的位於夏威夷,有的位於西班牙,為了使八個望遠鏡能同時觀測到目標黑洞,必須保證這八個地點的天氣狀況統統良好、且面對黑洞。

這樣一來,一年中可以用於拍攝的窗口期只剩下大約十天(在拍攝M87 時為2017年4月)。

然而這十天過後,「沖洗照片」的漫長旅程才剛剛開始。

十天裡,EHT 產生了大約5PB(1PB=1024TB)的數據量,根本不可能通過網路傳輸。因此,各個觀測點只能把存有數據的硬碟運往美國麻省理工大學和位於德國的馬普射電天文研究所,由超級電腦進行處理。

據美國國家科學基金會學者稱,最終,儲存8台望遠鏡數據的硬碟重量足有半噸重。

生成黑洞圖片的流程。 圖源:美國國家科學基金會生成黑洞圖片的流程。圖源:美國國家科學基金會

殘缺的照片

然而,這台「口徑和地球一樣大」的望遠鏡只有八個數據收集點,有限的觀測點造成了大量的數據遺失。

想從這些缺失的數據中還原出一張黑洞的照片,就好像在一架琴鍵壞掉的鋼琴上彈奏樂曲。儘管音符殘缺不全,但所有的音符都會導向同一個曲調,隨著音符不斷增加,整個音樂的曲調也就越來越明晰。

即便如此,由八個望遠鏡傳回的數據拼湊出的黑洞圖像還是有無限的可能性。為了減少干擾,EHT 項目的科學家們利用算法降低了「長相不像黑洞」的圖片的權重,留下符合理論中圓形有環的黑洞形象的照片,這也就是為什麼我們得到的黑洞寫真如此模糊,宛如「一灘咖啡漬」。

換句話說,我們仍未知道M87 黑洞的真實面相,我們只是在理論指導下,利用算法還原了殘缺的圖像,拼出了最接近真實黑洞的照片。

目前,對M87 的觀測數據的解析仍在進行,而在之後也會有更多的觀測點和學術機構參與EHT 計劃,其中包括影像解析度提高了十倍的格陵蘭射電望遠鏡,和北半球最大的天文觀測點基特峰國家天文台。

相信不久的未來,我們就會獲得更清晰完整的黑洞照片。

也許我們有生之年都無法離開地球表面,但至少在所有人都把目光投向黑洞的那一刻,我們短暫地共享了5500 萬光年外那個正在消亡的世界。這是唯有宇宙才能帶給我們的震撼和浪漫。

圖源:DeLuce Art