黑洞照片能拍出来吗,黑洞真实照片最新

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-03-30 05:24:55

黑洞照片能拍出来吗,黑洞真实照片最新(1)

2016年,麻省理工学院一位年轻的女博士登上了著名的科技讲坛——TED的演讲台,她演讲的题目是“怎样拍摄一张黑洞的照片”。3年后,全世界数十个科研机构的200多名科学家共同努力,终于拍摄出人类第一张黑洞照片,当年的这位女博士作为庞大科研团队中的一员,在“冲洗”黑洞照片的过程中又发挥了极其重要的作用。2019年4月10日,随着黑洞照片的正式发布,这位女博士在“脸书”上的照片刷爆了社交网络,“走红”全世界。这位被媒体誉为“黑洞背后的天才少女”的人,就是凯蒂·布曼。

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事件视界

1915年,爱因斯坦在广义相对论中最先预言了黑洞的存在。在爱因斯坦的理论中,黑洞是一种质量巨大、引力极强的天体,可以吸收周围一切的外来物质,就连人类已知传播速度最快的光都无法逃脱黑洞的吞噬。理论上,黑洞无法被观察到,更别提给它拍摄照片了。然而,科学家认为,黑洞的阴影——“事件视界”却是可以被观察到的。

根据天文学的理论,既然黑洞将附近的物质和光吸向自己,那么黑洞周围就会存在一个“边界”——进入这个“边界”的物质和光无法逃逸出来,而这个“边界”就被称为“事件视界”。在“事件视界”之外,宇宙中周围弥散的物质也会被黑洞强大的引力所拉拽,形成一个炽热的气体吸积盘。这个气体吸积盘时不时地发出不同频率的光辐射,可以被天文望远镜观察到。于是,黑洞在明亮的气体吸积盘的衬托下留下了一个“暗影”,而“暗影”与气体吸积盘之间的时空区域就是“事件视界”。

科学家通过观察“事件视界”,就可以间接地描绘出黑洞的轮廓。所以,科学家观察黑洞,其实是观察“事件视界”的结构。

拍摄黑洞

M87星系(又称室女座A星系)这次观察到的黑洞是位于M87星系中心的巨大黑洞,距离地球5500万光年,体积是太阳的680万倍,质量约为太阳的64亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

虽然体积如此巨大,M87黑洞仍然很难观察。从地球上看,M87黑洞大概与月球上的一个橘子一样大,由于衍射现象,我们能看到的最小物体是有限制的,想看到的东西越小,需要的望远镜就越大,如果想看到M87黑洞,我们需要的望远镜要和地球一样大。

当然,建造一个和地球一样大的望远镜是不可能的,但通过一种叫做“甚长基线干涉”的技术,科学家可以构建一个很大的“虚拟”望远镜。

“甚长基线干涉”是一种射电天文学测量方法,它允许用多个射电望远镜同时观测一个天体,从而模拟一个大小相当于射电望远镜间最大间隔距离的巨型望远镜。如果想模拟出一个地球大小的望远镜,科学家需要使用“甚长基线干涉”技术,将位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极洲的8处独立的大型射电望远镜连接起来,让它们像一台仪器一样协同工作。这8个望远镜从南到北横跨7000千米左右,两者之间最远距离超过1万千米,组合到一起就成了一个“地球一样大的望远镜”。通过这个虚拟望远镜拍摄黑洞,这就是凯蒂等科学家所参与的“事件视界”望远镜项目。

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在麻省理工学院求学期间,凯蒂加入了海斯塔克天文台。这座天文台有美国最强大的超级计算机,负责对世界各地天文台发送来的黑洞数据进行前期处理,是“事件视界”望远镜项目的数据处理中心——凯蒂“冲洗”黑洞照片所做的工作大部分是在这里完成的。从麻省理工学院毕业后,凯蒂在兴趣的驱使下,又以博士后的身份加入哈佛大学的“‘事件视界’望远镜图像处理”团队,并一步步成为“事件视界”望远镜项目的核心成员。

2006年,“事件视界望远镜”启动并记录下了第一组天文数据。到了2017年,来自全世界数十个科研机构的200多名科学家正式开始勾勒M87黑洞的模样。2019年4月10日,科学家正式发布的首张黑洞照片便是M87的照片。

“冲洗”照片

给黑洞拍照不容易,“冲洗”照片则更不容易。因为黑洞的照片并不是普通意义上的照片,它不是直接快门一按就拍摄出来,而是由精锐的计算机算法团队“拼”出来的,而凯蒂就是黑洞成像算法团队的领导者。

在拍摄黑洞照片时,世界各地的8处独立的望远镜协同工作,由于黑洞细节小、信号暗、干扰太多,每一处望远镜都会产生海量的数据。据估计,在一次历时5天的观测任务中,8处望远镜收集的数据可以装满1万至2万个硬盘,重达半吨。这么多硬盘,都会用飞机运往海斯塔克天文台。

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面对这些数据,科学家有大量工作要做,比如,他们要从数据中滤除由大气湿度等因素引起的噪音,也要对8处望远镜捕捉到的信号做精确同步处理。其中,最难的问题就是如何将“事件视界”望远镜的数据转化成一幅合理的视觉图像。如果将地球大小的望远镜想象成一颗巨大的迪斯科球,每一面镜子都会收集光线,组合到一起就能得到一幅完整的黑洞图像。但由于“事件视界”望远镜只接入了8处望远镜,这相当于将迪斯科球的大部分镜子移走了,仅有的8面镜子只能收集到完整图像中的寥寥极少的部分,科学家必须通过缜密的算法填补空缺的部分,才有可能合成一张完整的黑洞照片——这就是凯蒂所承担的任务。

然而,空缺的部分是不能随意填充的,有很多事情需要考虑。比如,没有人见过真实的黑洞,凯蒂在填充图像时,不可避免要做些猜测,但她必须要考虑相对论以及其他天文学规律,否则所做出的图像的质量会非常差;但另一方面,如果完全按照现有的物理定律来设计算法,那么得到的只会是科学家预想中的图像,我们不能从这张图像里看到新的东西。所以,凯蒂只能设计大量的算法,从中进行甄选和调试,然后找到最合理的算法,使合成出来的黑洞图像能够在物理定律和猜测之间达到一个平衡,同时又能使图像可以与8处望远镜测量到的信息相符合。

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几年来,凯蒂进行了无数次精心设计的测试,旨在做出一张高质量的黑洞照片。2018年6月,她又一次将编写的程序代码付之运行,一枚带有黑色阴影的橙色“魔戒”出现在计算机屏幕上——这就是2019年4月10日展现在世人面前的黑洞照片,它已经最大限度地反映了黑洞的真容。

下一步,凯蒂和“事件视界”项目会将镜头对准人马座A*,同时也会有更多的天文台加入进来,人马座A*黑洞位于距离地球2.6万光年的银河系中心,它是已知离地球最近的超大质量黑洞,也是科学家的最佳观测目标。届时,人类向着探索黑洞奥秘又会更进一步。

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