人类史上首张黑洞照片来了!这件事为什么那么重要?

多么幸运,我们成为了第一批目睹黑洞真容的人类,也可能是宇宙中第一批亲眼看见黑洞的碳基生物。


来源 | 爱范儿(ID:ifanr)

文 | 吴志奇

头图来源 |东方IC



人类史上第一张黑洞照片来了。

4 月 10 日 21 点,「事件视界望远镜」(Event Horizon Telescope, EHT)项目在全球六地布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北、东京、和华盛顿同时召开了发布会,正式公布了这项划时代的重大成果。

此次项目由全球多个国家和地区的 200 多位科研人员组成,是一个以观测银河系中央特大质量黑洞为主要目标的计划,观测核心就是银河系中心黑洞人马座 A* 和 M87 椭圆星系中心黑洞,此次发布的,就是后者的黑洞图像。

▲ 上海新闻发布会现场

从照片可以看出,黑洞就像一个黑色球体,中心暗弱部分为「黑洞阴影」,而周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应造成的。

因为黑洞不停在旋转,让它的图片看起来就像是一个不对称的发光漩涡。

而说到黑洞,你脑海里可能出现的就是「幽暗不见底」和「万物皆可吸」。

首先,黑洞不是洞,是天体。作为最神秘的预言宇宙天体之一,黑洞质量极大密度极高,周围会产生巨大的引力场,它附近所有物质都难逃一吸,连宇宙中传播速度最快的光,也无法在黑洞中完成出它的出色射程。

▲ 黑洞的艺术构想图

而黑洞周围引力巨大的区域,就被称为「事件视界」,只要跨过这个边界,一切物理定律在此都会失效,「事件视界望远镜」拍摄的就是两个黑洞的这一部分。

1915 年,爱因斯坦在广义相对论中最先预言了「黑洞」,1968 年,美国天文学家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名词,虽然之后也出现过一些黑洞的间接影像可以证明它身处星河之中,但没人见过黑洞的真正样貌。

▲ 黑洞图像的的模拟、测量、和重建,图片来自:Katie Bouman and Jason Dexter

100 多年后的今天,人类第一次能够直接确认黑洞的存在。

同时,科学家也表示,该图像的特征和爱因斯坦的广义相对论完全一致,进一步验证了它的正确性。

多么幸运,我们成为了第一批目睹黑洞真容的人类,也可能是宇宙中第一批亲眼看见黑洞的碳基生物。


黑洞照片是怎么拍出来的?

从洪荒时代起,人类就从未停止过对头顶神秘星空的眺望。

2017 年 4 月,「事件视界望远镜」开始捕捉黑洞「事件视界」的清晰图像。这次「事件视界望远镜」的观测行动,可以说是史上最难的星际观测项目之一。

▲ 图片来自:美国哈佛 - 史密森天体物理学中心网

首先,人马座 A 距离地球 2.6 万光年之遥,质量约等于 400 万个太阳,视界半径约 2400 万公里,而 M87 中心距离地球 5500 万光年,约等于 64 亿太阳质量。按科学家的说法,给黑洞拍照的难度就差不多等于「给月球表面的一个苹果拍照」。

其次,拍摄技术、拍摄时间、拍摄位置都让项目研究变得更加举步维艰。

于是,研究人员决定将分布在全球各地、横跨南北半球的 8 个射电望远镜联合起来,组成一个相当于地球最大直径的大型虚拟望远镜进行观测。

▲事件视界望远镜的全球观测网络. 图片来自: Nature

这里用到的观测技术,就是「甚长基线干涉测量」(VLBI)。通过这种技术,能将多个望远镜结合成一台孔径更大的望远镜,让距离不再成为限制。两个射电望远镜和一个数据处理中心,就能共同观测遥远的类星体以及河外星系。

因为黑洞本身是看不见的,这里的拍出的图像,其实是因为黑洞在「吃掉」身边恒星时,气体撕扯会产生旋转的吸积盘,加上部分吸积气体也会沿转动方向被抛出去形成喷流,这些气体摩擦都产生了明亮的光线,再加上其他频段的辐射,因此能捕捉到这些黑洞的发光现象。

▲黑洞和积吸盘的艺术想像图 . 图片来自:Wikipedia

当 8 个射电望远镜联合启动,VLBI 网将各射电望远镜接收到的信号转化为数字信号记录在磁盘上,然后通过数据中心处理和分析,就能获得观测目标的射电精细结构图像,最高分辨率可为哈勃空间望远镜的数百倍。

这样,我们就能看清「月球上的苹果」了。

为达到此次拍摄的极高分辨率,包括中国科学院下属的天文台机构和高校等全球 13 多个研究机构都参与进来开展研究、校准工作。

而且,不止「拍」照片难,「洗」照片更难。

这不是咔嚓一下就能完成的摄影过程。上面提到,通过 VLBI,要将事件视界望远镜的所有观测数据集合、整理。跨越南北半球的庞大的天文台资料,不能通过网络传输,需要极大储存容量的硬盘收集并邮寄到研究中心。

一次普通的 5 天观测,整个整列就会产生约 7PB 数据(1PB=1000TB=1000000GB),装满 1000-2000 个硬盘。

为了防止地球大气中的水汽阻碍数据接收,还要将观测站摆在干燥高地,但常规硬盘无法抵抗低气压。墨西哥内格拉火山多顶(海拔 4580 米)的望远镜的 32 个常规硬盘里就有 28 个无法运作,最后只好改装成氦气封装硬盘。

▲ 图片来自: EHT

同时,计算机进行后台处理和分析海量数据也需要极长时间,各个站点收集的数据都被汇集到美国和德国两个数据中心,计算机集群要对数据时间进行合并和分析,缺失或模糊的部分,都需要科学家进行拼图完善。

单生产出这张黑洞照片,研究人员就用了 2 年左右时间。

虽然照片看起来依然是一片迷幻的「混沌」,但这次历史性的窥探,也是人类史上一块耀眼的丰碑。


照片的意义,不止让人类见到黑洞

这次的重大发现,不仅让我们能接触到黑洞的真实面貌,更重要的是,帮我们验证了爱因斯坦广义相对论和黑洞的物理性质,包括黑洞真实质量、直径、自转速度......

中国科学院国家天文台研究员苟利军说道:

黑洞周围会有很多分流,分流对于整个星系,以及星系演化,都起着非常重要的作用。但我们不是特别清楚它是如何产生的,我们看到黑洞周围的状况,能帮我们解决最基础的科学问题。

▲图片来自:新华社采访截图

这只是一个开始,未来 EHT 还会带来更多前所未有的科学成果。而这次黑洞的项目成果,无疑让我们进入了一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。

▲ 参与 EHT 的中国科学家

EHT 也表示后续还会给更多黑洞进行拍照及研究,人类将能更深入地理解宇宙。

包括与黑洞正好相反的宇宙天体:白洞,它也是一个强引力源,但引力是从内往外,任何物质和光线都无法进入其中。虽然白洞同样是由理论推导而出的假想天体,但值得注意的是,当黑洞和白洞连接,其中的那条特殊通道就是我们更为熟悉的——虫洞。

如果有一个宇航员掉入黑洞,被黑洞的潮汐力撕成原子构成的涓涓细流,那它也很有可能在高速自转的黑洞白洞中进入多维空间隧道,也就是在虫洞之中,开始一段新的太空旅行。

▲ 图片来自:《星际穿越》

这也是 2014 年诺兰经典的《星际穿越》剧本来源,我们通过它首次在荧幕上见到了最接近科学真相的黑洞图像「卡冈图雅」。而上面迎接那个宇航员的或许也不是死亡,而是另一片新的宇宙。

一切都在不断用实践验证的途中,人类骨子里总是沸腾着不安的血液,胸腔里跳动着我们共同的未来。「生于凡尘,归于星辰」或许将不再只是想象中的美好结局。

这也让我们再次意识到:地球不该是人类归宿的唯一答案。

▲ 图片来自:《星际穿越》

无论是星际旅行,还是移居火星,在目前地球资源开始一步步走向枯竭的境地下,用环保和技术来延迟地球寿命必不可少,但也许这恰好是个完美的过渡时期,借此将人类更重要的思维和力量投向群星璀璨的太空之中。

霍金在晚年时期也对人类的未来忧心忡忡。他认为地球和人类正面临着严峻的内忧外患,除了人工智能和气候问题将导致人类灭亡地球毁灭,外星人还可能随时入侵地球……

他曾在2016 年在剑桥大学的一次演讲中表示:

为了人类的未来,我们必须进入太空。在不离开这个脆弱的星球的情况下,我不认为我们能活过下一个 1000 年。

虽然就算是黑洞,也可能有死亡的一天。

在霍金的黑洞热力学中,提出了「黑洞蒸发」的理论。也就是说,在非常遥远的未来,当宇宙背景辐射温度降到黑洞温度以下,此时黑洞就会向外辐射物质和能量,而黑洞本身则将慢慢消失。

当然了,人类可能根本等不到那一天,毕竟根据霍金的估算,一个质量是太阳 10 倍的黑洞,大概要花 10^{70} 年消失,而宇宙目前的年龄也只有 10^{10} 年。

不过至少现在活在地球上的我们,还能继续保持热忱、保持天真,在混杂着希望和绝望的文明里抗争相搏,在有限的生命里探索着人类和宇宙无限的可能性。

虽然渺小,却也伟大。