科學也可以如此靠近

人類第一次直接「看見」了黑洞,愛因斯坦是對的!

4月
15
2019

2019年4月15日06時 今日科學 科技怪咖Founder

科技怪咖Founder

4月10日,是個具有紀念意義的日子,在這一天我們見證了人類歷史上第一張黑洞照片的誕生。

在全球200多位科學家的努力之下,經過長達兩年的「沖洗」,這個潛伏在宇宙中的「超級怪獸」終於向人類展示了自己的真面目。

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這是5500萬光年外的大質量星系M87中心超大質量黑洞的陰影照片,也是人類拍攝的首張黑洞照片。

全球一共60多個研究機構參與了研究。

包括中國科學院下屬的上海天文台、雲南天文台等機構,以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學、台灣大學等高校。

黑洞照片由EHT項目和中國科學院共同發布,是國際天文學家們共同協作完成的一個重大成就,也是一個令全球矚目的重大成果。比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京和美國華盛頓六地以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言進行了同步直播。

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這張照片無疑是2019年最有價值和最受期待的照片。一經公布,網絡上就接連颳起了黑洞PS風潮,黑洞照片迅速占據微博熱搜榜單第一。可見其非一般的影響力。

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為什麼這次事件會如此轟動?

黑洞是人們熟悉而又陌生的物體,它存在於大量文學作品和影視劇中,從愛因斯坦的廣義相對論率先預言黑洞的存在,到惠勒提出黑洞概念,再到霍金提出「黑洞是時空的扭曲者」。近百年來,科學家們一直努力搜尋它的蹤影。

科幻電影《星際穿越》中計算機模擬出的黑洞形象。

然而人類卻從未親眼看到過黑洞。

在此之前,我們看到的所謂黑洞其實都是基於理論誕生的假說圖,並不是黑洞真正的樣子。關於黑洞是否真的存在一直以來都是打著問號的。

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為了一睹黑洞真容,在過去的10多年時間裡,麻省理工學院(MIT)的科學家們聯合了其它研究機構的科研人員,開展了激動人心的「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,EHT)項目,全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測。

事件視界望遠鏡由位於四大洲的8台射電望遠鏡所組成,圖中的黃色線條為連接這些望遠鏡的「基線」,由此構成

它們北至西班牙,南至南極,向選定的目標(兩年前視介面望遠鏡選定了兩個觀測目標,一是銀河系中心黑洞SgrA*,二是位於星系M87中心的黑洞)撒出一條大網,撈回海量數據,以勾勒出黑洞的模樣。

VLBA由10個拋物天線構成,橫跨從夏威夷到聖科洛伊克斯8000多千米的距離。

天文學家們利用「甚長基線干涉技術」(VLBI),通過協調全球8個射電天文台的望遠鏡,甚至位於南極的望遠鏡SPT也加入進來,構建了一個口徑等同於地球直徑的——「虛擬」望遠鏡,接收來自超大質量黑洞周圍的波長為毫米的光子,積累了海量的數據(數個PB;一個PB是1000TB,一百萬GB)。

1979年,巴黎天文台的Jean-Pierre Lumine手繪黑洞圖像。圖片來源:Science|

這個項目的原理簡單來說就是把全球所有的望遠鏡連接起來,在電腦上模擬一個地球大小的望遠鏡,收集這些數據,再通過合理的算法分析,就能描繪黑洞的模樣。

但實際上我們根本不可能獲取到如此多高質量的觀測點,所以只能在地球上找幾個點,布置上望遠鏡。

位於智利的阿塔卡瑪大毫米波陣列(ALMA)擁有66座碟形天線,圖片來源:http://www.bin

隨著地球的自轉,這8處望遠鏡的位置會改變,科學家就可以獲取到圖片的各個部分。即便如此所得到的樣本仍然不足,還需要通過開發生成圖片的算法將空白的地方填滿,才能模擬出隱藏的黑洞圖片。

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而要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,達到最高的靈敏度和最大的空間解析度,符合的觀測時間段每年就只有10天。

在每一個觀測中心,科學家們都會利用提前校對好的原子鐘時間,對每一個電磁波到達的時間進行分別標定和存檔,等到觀測結束之後再匯總比較。

位於南極的SPT望遠鏡(圖片來源:SPT)

黑洞照片「拍」起來難,「洗」出來更難。所以在拍攝黑洞過程中科學家還有一項重要的任務,就是:開發既可以找到合理圖像,又能使圖像符合望遠鏡所測量到的信息的算法。

據悉2017年4月份的EHT觀測中每個台站的數據率達到驚人的32Gbit/s,8個台站在5天觀測期間共記錄約3500TB數據。

面對如此龐大的數據量,從拍攝完成,到最終的發布,科學家們用兩年才找到了最合理的算法,並最終完整所有圖片數據的分析、整合。

也許很多人不理解,人類為什麼要費盡心力的去拍攝這樣一張黑洞圖片?

往大了說,可以上升到宇宙問題,這件事情的意義遠遠超越它本身,就像美國太空人阿姆斯特朗登陸月球後所說的第一句話」我的一小步,是人類的一大步。「一樣,黑洞的拍攝,邁出了人類太空探索的一大步。

黑洞假說圖(圖片源自網絡,侵權即刪)

從小方面說萬一愛因斯坦的廣義相對論錯了呢?我們不能遺漏「宇宙中心不是一個『洞』,而是一頭大象的可能」。

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對於自然科學來說,人類不知道自己會看到什麼,而自然有時候又是殘酷的。我們看到的東西或許毫無亮點。但人類追求的不是一個幻想中的結果而是自然本來的模樣。


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