图8:位于智利的阿塔卡玛大毫米波阵列(ALMA),拥有66座碟形天线,图片来源:http://www.bingwallpaperhd.com/alma.html
由此可见,根据不同科学需求,望远镜必须在大和精上作出权衡,不能一味地追求大;如果你的科学需求是想在毫米波观测天体,却一味地追求口径做大,但无法保证抛物面精度,结果根本就没法实现毫米波信号的有效聚焦,这架望远镜就算不上成功的作品。
3. “冲洗”照片:复杂的后期数据处理分析
在这次拍摄黑洞照片的过程中,多台设备同时观测和记录,然后将数据汇总到一起分析。2017年4月份的观测中,8个台站在5天观测期间共记录约3500 TB的数据(1TB等于1024GB,相当于500小时的高清电影)。
因为数据量庞大得不可能靠网络传递,所以EHT用硬盘来纪录每个望远镜的原始观测数据,再把硬盘寄回数据处理中心。
超级计算机需要获取相同的信号到达两个望远镜的时刻差(时延)以及时延随着时间的变化快慢(时延率),校正射电波抵达不同望远镜的时间差,最后综合两个望远镜的位置信息、信号的强度以及上述两个参数——时延、时延率,就可以对该天体的射电辐射强度和位置进行分析。
这个过程中涉及数据量之多,处理难度之大都是前所未有的。即使现在人类的运算能力已经非常强大,这张照片还是花费了近两年时间“冲洗”——从2017年4月开始,科学家们用了近两年时间对这些数据进行后期处理和分析。终于,在今天(4月10日)发布了首张黑洞照片。
全球项目中的中国贡献
很多人关心,在为黑洞拍照的过程中,是否有中国科学家的身影。在这里,可以非常自豪地告诉大家,我们没有缺席。
我国科学家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,在事件视界望远镜(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做出了中国贡献。
1. 机构参与
EHT是一个多年国际合作的结果,科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新方法。EHT的建设和今天宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。这与来自世界各地的研究人员的密切合作是分不开的,是全球团队合作的典范。13个合作机构共同创建了EHT,使用了既有的基础设施并获得了各种机构的支持。主要资金由美国国家科学基金会(NSF)、欧盟欧洲研究理事会(ERC)和东亚资助机构提供。
这一激动人心的成果受到了中国科学院天文大科学中心(国家天文台,紫金山天文台和上海天文台)的支持。天文大科学中心是EHT的一个合作机构(EHT共有3个合作机构)的成员。上海天文台台牵头组织协调国内学者通过该合作机构参与此次EHT项目合作。
2. 望远镜参与
想要利用VLBI技术构成一个等效口径足够大、灵敏度足够高的望远镜,需要在全球各地广泛地分布着足够多的这类望远镜。过去十年中,技术的突破、新射电望远镜不断建成并加入EHT项目、算法的创新等,终于让天文学家们打开了一扇关于黑洞和黑洞视界研究的全新窗口。
此次参与到EHT观测的JCMT目前由中科院天文大科学中心参与的一个EHT合作机构负责运营。由于观测波段的限制,正式观测基于的观测波段是1.3毫米。位于中国大陆的射电望远镜未参与正式的观测,但在前期联合观测(2017年3-5月的全球联合观测)中,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的M87*黑洞成像提供了总流量的限制。
图9:上海65米天马望远镜,图片来源:上海天文台
今天只是起点,未来将看到更多精彩
参与此次EHT观测的上海天文台专家一致表示,对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点站:
一方面,对于M87*的观测结果分析还能更加深入,从而获得黑洞周围的磁场性质,对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。
另一方面,大家翘首以待的银河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出炉了。
EHT项目本身还将继续“升级”,还会有更多的观测台站加入EHT,灵敏度和数据质量都将提升,让我们一起期待,未来看到M87*和Sgr A*的更高清照片,发现照片背后的黑洞奥秘。
总之,人类既然已经拍到第一张黑洞照片,那黑洞成像的春天还会远吗?
写在最后
不论你看或不看,黑洞阴影就在那里;
不论你拍或不拍,黑洞阴影就在那里。
因为梦想,因为努力,因为坚持,我们终于第一次拍到了它,欣赏到了它的美,更见识了科学之真和美。
不用说,这是一曲国际合作演奏的完美乐章,中国科学家在这里演奏出美妙和谐的音符,作出了重要的贡献。未来,中国和中国科学家还将以更好的科学想法、更精湛的水平为类似SKA等国际大科学项目贡献出更美妙的篇章。