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拍摄黑洞相片,意味着什么?

(2019-04-12 09:19:51)

拍摄黑洞相片,意味着什么?

   拍摄到 M87黑洞的相片是当代“大科技”的重大成果。黑洞里面有什么物理过程?为什么选定M87黑洞?请看附件吴庆文教授的解答。

    注:等吴教授说完了,我们再来分析。

袁萌   陈启清  412

附件:

北京时间10日晚9时许,包括中国在内,全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。图片来自欧洲南方天文台(ESO)官网

这是人类诞生以来,第一次见到黑洞的照片。

黑洞呈圆环形,中心灰暗,外围被一圈橙黄色的光晕包裹,下方比上方更明亮。有人说它像甜甜圈,有人说它像猫的眼睛,还有人说它像铸造中的魔戒。

而在一年前,吴庆文见到它时,第一反应是:爱因斯坦的预言真的灵验了。

吴庆文是华中科技大学物理学院的一名教授。2016年,他加入了“事件界面望远镜”项目,和来自全球的200多名科学家一起,计划为黑洞拍一张照片。

从理论分析、实际观测到数据处理,他们分成数十个小组,花了三年多的时间,把黑洞的样子展现在了世人眼前,也终于证实了黑洞的存在。

“在2016年发现引力波之后,人们寻找到了爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图”,吴庆文说。这意味着人类对黑洞的研究、对宇宙的探索迈入了全新的阶段。

411日,在黑洞照片发布的第二天,我们与这位在照片拍摄、冲洗过程中,承担理论分析工作的教授聊了聊。

我们要给黑洞拍照片

剥洋葱:你为什么会对黑洞感兴趣?

吴庆文:我研究生在中科院上海天文台,期间一直做的课题就是黑洞,还有吸积盘。黑洞本身是大家关注的,它因贪婪闻名于世,是一个时空漩涡,由弯曲的空间和弯曲的时间构成。黑洞有一个视界,其内部时空高度扭曲,所有物质掉入它的范围,都会消失得无影无踪,奔向奇点,连光都不例外。我觉得这很好玩,就一直坚持下来了。

剥洋葱:你是什么时候加入“事件视界望远镜”项目的?这个项目的目标是什么?

吴庆文:早在2015年,我们就开始陆陆续续讨论,怎么样才能够看到黑洞,需要用多大的望远镜来观测等等问题。大概是2016年左右我正式加入,参与项目的有来自全球的200多名科学家,中国有十几个人。

这个项目提出来就是为了观测黑洞、给黑洞拍照。目前,有很多的间接证据已经证明了宇宙里有非常多黑洞,2016年,人类观测到了引力波,知道了黑洞“听上去是什么样子”,但我们更想知道,它“看上去是什么样子”。

剥洋葱:从理论上来说,黑洞是看不见的,为什么还能拍到黑洞的照片?

吴庆文:虽然黑洞本身并不发光,但它具有强大的引力,可以将周围的物质吸引过来,形成绕其转动的吸积盘。吸积盘可以将吸积物质的引力能变成辐射,从而可以被我们看到。

剥洋葱:“事件视界望远镜”项目有200多名成员参与,你们是怎么分工、协作的?

吴庆文:从数据处理、观测到后边理论分析,其实有各种各样的小组,分成了很多个科学工作组。我们中国大概有十几个人参与,大家做的事也不同。

 

最早开始做的时候,我们200多人聚在台湾开过一次会,后面陆陆续续也在不同的地点开过。平时主要是通过电话、视频会议,或者邮件,来和其他人沟通进展。

剥洋葱:你主要负责哪些工作?

吴庆文:我是做理论分析。拍摄之前,我研究的是黑洞里边会发生什么样的物理过程;拍摄之后,根据传回来的图像,我开始分析黑洞边上那些看到的光环大概是哪里来的?为什么是那样?做这种理论的计算。

后期我们花了很长的时间,一直在算,一直在提高、比对:我们算的东西是不是正确的?跟看到的东西是不是完全一样的?

剥洋葱:在理论分析的过程中,有没有遇到过什么困难?

吴庆文:因为黑洞里的时空是弯曲的,是完全扭曲的,我们看到的这个黑洞,看上去它是那样,但和它真实的样子并不相同,那些光子是在弯曲的时空里走的,我们要把弯曲时空里边的一些东西算出来,这是有一点难度的。

剥洋葱:参与这次拍摄对你来说有什么意义?

吴庆文:我感觉就是好玩,它本来就是人类比较好奇的东西,看到了就有趣了。

被选中的黑洞

剥洋葱:既然科学家们很早之前就预测出了黑洞的样子,为什么直到2017年才成功拍到黑洞的照片?

吴庆文:我们很早以前就可以算出来在什么条件下,才能用望远镜看到黑洞。2000年左右,就有科学家预测,经过技术的发展,十几年后我们可以看到黑洞。

2017年以前,一直都在尝试,不过早期的望远镜分辨率比较低,只能看到黑洞外边那些东西。这些年我们一直就在尝试慢慢地提高分辨率,到前几年,才能说我们已经完全达到分辨率了。

剥洋葱:是因为我们和黑洞的距离太远,所以才要提高分辨率吗?

吴庆文:分辨率简单来说就像我们的眼睛一样,近视了可能就看得不太清楚,戴上眼镜可能就看得很清楚,所以望远镜越大,就能把黑洞看得越清楚,能够把不同的黑洞分辨开。

打个比方,一台汽车有两个车灯,如果你离车很远的话,你只能看到一个亮点,只有它靠近你、你能看得清楚的时候,才会发现是两个车灯。

剥洋葱:每个星系中心都有很多个黑洞,为什么最终选定的是银河系中心黑洞和M87黑洞?

吴庆文:因为我们望远镜给出的是一个分辨率,我刚才提到,如果两个车灯离你非常远的话,你是分辨不清的,所以要找到合适的黑洞。很早之前,我们就算了黑洞在天上的投影,近邻的宇宙里所有黑洞在我们看上去有多大都算出来了。我们发现银河系中心黑洞和M87黑洞,在天上的投影面积是所有的黑洞里边最大的,所以选了它们。

剥洋葱:确定这两个黑洞的位置难吗?

吴庆文:不难,其实这是一个非常重要的工作,就我们银河系中心的黑洞来说,最早十几年前,有的恒星绕着中间的某一个地方转了一圈,利用牛顿的理论“开普勒三定律”就可以把中间的黑洞质量算出来,测得很准。

当然技术难度挑战非常的大,因为我们大气里的云一直在抖动,所以望远镜的分辨率再高,也会被云给扭曲掉,就让人看不清。后来发展出了一种技术:打一束激光上去,可以快速算出来云怎么动,再让后端的望远镜跟着再做改正。这样,云的抖动就去掉了,去掉之后就可以让黑洞附近的恒星的位置定得非常准。

剥洋葱:黑洞的照片具体是怎么拍的?

吴庆文:经过测算,我们需要用相当于地球大小的超级虚拟望远镜(相当于一台上万公里巨型望远镜)来拍摄。这些望远镜分布在全球不同的地方,因为地球是转的,所以总是有的地方会转过去,因此范围分布越广越好,当然要选择一些高海拔的地方,因为第一云稍微少一点,第二温度也低一点。

协调全世界近十台望远镜去观测它,是最难的一步。要不同的国家把所有的望远镜在同一时间都对准这一个天体,成本是非常高的。像美国的有一个镇,它的设备总投资是150亿美元、将近1000亿人民币,每一夜的价格都非常昂贵。而且什么时候看黑洞、能否看到黑洞都是不确定的。我们必须说服他们,随时准备把设备给我们,去看一个从来没人见过的物体。

最终,我们用了八台望远镜来拍摄,其分辨率达到了20微角秒,比哈勃望远镜高近2000倍,可以分辨出38万公里外月球上的一个乒乓球大小。

协调好这些望远镜后,需要一个时间窗口。就像发射火箭一样,哪时候发射最好,这一年里边可能只有十天。这十天中,还有几天可能天气不好,找这种机会比较难。2017年的45日到14日,基本上八九天是不错的,我们在这段时间内进行了拍摄。

剥洋葱:你们拍摄了两张黑洞的照片,为什么这次只公布了M87黑洞的照片?

吴庆文:我们用了五六天去拍摄这次公布的M87黑洞,剩下两天是拍我们银河系中心黑洞,时间分配上,M87的拍摄时间远远多于银河系中心黑洞。

另外,M87黑洞是正面拍摄,银河系中心黑洞侧面拍摄,看上去不如正面的直观,而且其中还有一些不确定的地方,将来确定了,银河系中心黑洞的照片可能也会发布。

冲洗黑洞照片花了近两年

剥洋葱:黑洞拍摄好之后,冲洗花了近两年的时间,为什么需要这么长时间?

吴庆文:观测完了之后,得到的数据量是非常大的,每一晚的数据量达2PB1PB=1000TB=1000000GB),和欧洲大型对撞机一年产生的数据差不多。这些数据量怎么去处理出来,是非常困难的。我们把观测到的数据用三种完全独立的流程、建立多个独立小组进行处理,来保证结果的准确性。每一个工作组,可能大概都得花半年到一年的时间去处理,得到一个初步的结果,然后再进行下一步的细化,最后把这个结果发给某一个负责人,然后他们去对各个组的结果进行对比。

剥洋葱:昨天照片公布是你第一次看到黑洞的样子吗?

吴庆文:其实基本上一年前我就看到了。因为我是自己做这个的,所以说结果一出来我就知道了。

但那时候只是我们中国团队做出来的初步结果,还不太确定最终的图像是什么样的。我们分成了三个大的组,每个组里又分成了几个完全独立的小组。只有不同的组做出来的结果是一样的时候,才能说这个图像是可信的。

昨天公布的这张照片,跟我们初步看到的结果基本上是接近的。

剥洋葱:第一次看到黑洞的照片的时候,你的心情怎么样?

吴庆文:当然非常激动了。我们中国团队的十几个人当时讨论得热火朝天,我们在想,为什么它会呈现这样的结构?里面告诉了我们哪些信息?

这些年让我激动的,除了看到黑洞照片,就是2016年观测到了引力波,我们也是先在理论上预言了那样的引力波,结果就看到了。当你想象中的东西第一次出现在眼前时,真的会非常高兴,如同美梦成真。

剥洋葱:这次看到的黑洞图片,和科学家们预言的也一样吗?

吴庆文:对。这个黑洞圆环大小约为40个微角秒,与广义相对论预言几乎完全一致。亮环呈不对称结构,左下角比右上角亮10倍以上,也与广义相对论预言一致,是由多普勒效应导致的,其中朝向我们运动的等离子体辐射会变亮,而远离我们的辐射会变暗。

所以,今天我们看到的黑洞的样子,和从爱因斯坦的广义相对论计算、推断出的黑洞的样子几乎完全一样,因此真正的黑洞的图片其实大家是非常熟悉的。

剥洋葱:在一些科幻电影中,也有黑洞的图像,据说《星际穿越》里的黑洞,是最接近黑洞真实面貌的想象,但看上去似乎和今天发布的黑洞照片有些区别。

吴庆文:当年《星际穿越》里面那张图片是标准算出来的黑洞图像,导演找了2017年诺贝尔物理学奖获得者索恩,也就是引力波的发现者,他们一起召集了一个计算机团队,利用几千台计算机,去模拟我们看到会是什么样子。那张图是从侧面看过去的,而且吸积盘,就是黑洞边上发光的盘,是一个很薄的盘,比较好计算。

我们这次看到的黑洞是一个厚盘,黑洞周围的物质比较少,而且是从正面看过去的图像,所以从外观看上去,二者之间有点区别。

剥洋葱:黑洞照片出来之后,很多网友觉得它还比较模糊,主要原因是什么?

吴庆文:分辨率还是不够高,如果再高几倍的话,那么基本上就可以看得非常清楚了。未来的几年可能会发布更清楚一点的图片,但是也不会多清楚。大概这次是一毫米的,下次可能会观测零点几毫米的,就是亚毫米波的一个图。这个也是很难的一个事情,我估计这还是需要好几年的时间。

剥洋葱:这次黑洞照片的成功拍摄,对整个物理学界来说有什么意义?

吴庆文:它是爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图,他预言的这个东西,这次就让我们真正的看到了,这个是比较有趣的地方。

我相信会推动整个黑洞相关研究,因为黑洞是整个天文学和物理学最前沿的一个课题。中国将来可能会有几个大的卫星项目,2017年已经发射的第一颗X射线卫星,马上2021年会发射一颗爱因斯坦探针卫星,还有2025年会发射慧眼第二代卫星,这几个卫星会为黑洞研究提供非常大的帮助。

2014年,罗俊院士提出来了“天琴”计划,“天琴”计划将来是更好地研究黑洞的一个观测设备,宇宙里面非常多的黑洞,通过它,小的也能看到,大的也能看到。包括宇宙爆发之初的时候,大概136亿年或者135亿年的地方的那些黑洞,将来的空间设备都能够看得到。

新京报记者 周小琪 编辑 陈晓舒 校对 李世辉

 


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