首张黑洞照片拍完后,科学家又计划对黑洞“录像”了

  出品:新浪科技《科学行家》

  演讲者:Sheperd Doeleman 天文学家,事件视界看远镜团队负责人,哈佛大学教授

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  注:本文来源于Sheperd Doeleman在科学突破奖钻研会上演讲实录,新浪科技编译清理

  如何往拍摄一个连光线都无法逃走的天体“黑洞”?设想尽管光线一旦进入黑洞便无法逃离,但是吾们能够拍摄它的边缘,就是那些马上落入黑洞之前的气体物质。议决如许的不益看测,吾们也能够往检验喜欢因斯坦的广义相对论,另一方面,吾们也能够把星系核心的黑洞行为人类钻研的实验室。

  上图是武仙座A,这是在可见光波段拍出的图像,在图片的中心位置,能够看到有恒星浓密分布的星系。

  当然武仙座A的照片专门美,但上面这张图才是经典。这是联相符区域拍出来的射电波段的图像。从图中吾们能够看到两股喷流从星系的内部喷涌而出,延迟超过距离达150万光年。

  原形是什么在驱动如许的能量输出?要晓畅,如许的喷流开释能量大约相等于200亿颗超新星同时爆发。能够做到的就惟独一栽能够性,那就是一个迅速旋转的超大质量黑洞,大量物质正在迅速被吞噬,并同时以挨近光速的速度向两侧开释喷流,穿越整个星系,而吾所在的实验室的现在的正是要深入其中,看能否现在击黑洞边界。

  1979年,法国物理学家让·皮埃尔·卢米涅用推导过程,第一次描述了倘若人类能直接看到黑洞,将会展现什么成绩。他描述说,人类将看到黑洞的“阴影”(shadow),除了圆盘状的边缘之外,黑洞背后的片面也会在上下位置上表现出来。

  按照喜欢因斯坦的广义相对论和德国物理学家史瓦西的钻研收获,黑洞的阴影面积是能够计算的,逆过来,吾们也能够议决这次不益看测,来验证喜欢因斯坦的理论是否精确。卢米涅还不悦足于推导过程,他绘制出了世界上第一幅黑洞外面的成绩图。

  议决不益看察光线在黑洞附近时的曲曲情况,吾们能够看到单个光线会绕着事件视界转圈。随着黑洞周围的高温气体产生的光线越来越众,大量光线会从黑洞后方照耀过来。

  上图是吾们现在对于黑洞外面的最佳模拟,行使超级计算机,议决很长时间,占用了多数CPU算力才得到的模拟终局。在这个动图中,你能够晓畅的看到光子转动的边界。除此之外,你还能看到大量高温气体朝着黑洞旋转着落的过程。

  那么,吾们是如何做到这总共的呢?

  黑洞边缘的光线,要穿越黑洞旁的高温气体,穿越宇宙空间中的恒星际物质,穿越地球的大气层,并终极被吾们不益看测到,也许也就惟独一栽波长的光线有能够:那就是波长大约是1毫米旁边。而要想对其进走不益看测,吾们将必要一个地球那么大的射电看远镜,另外,它的分辨率相等于你站在美国洛杉矶,能看清波士顿或者纽约一张报纸上的字。

  现在,人类不能够造出那么重大的看远镜,天然,吾们也不会那样干。吾们行使的是一栽叫做“甚长基线干涉”(VLBI)的技术:将分布活着界各地的看远镜连接首来,用极为精准的原子钟校按期间,开展同步不益看测,其偏差每1000万年不超过1秒。如许就相等于构建了一台口径和地球直径相等的巨型射电看远镜。

  每台看远镜都会获得海量数据,吾们都是用硬盘来存储,并议决快递公司快递硬盘的手段来传输数据,由于数据量太大,在线传输根本已足不了需求。

  举个例子,想要从南极看远镜向数据中心在线传输它所采集的所有数据,要消耗25年的时间,因此还不如等天气益的时候,用飞机直接把硬盘送走,也许真的异国比用波音747飞机直接运送硬盘更高效的数据传输手段了。

  以前的10年里,吾们到处说相符世界各地的看远镜,西班牙,智利,美国夏威夷和亚利桑那。终极在2017年的4月份,吾们成功地调和所有看远镜在精准的联相符时间,对联相符个黑洞进走了同步不益看测。

  2019年4月10日,EHT配相符组宣布,已经成功获得M87核心超大质量黑洞的图像,这张照片就是专门有把握的,壮实的结论。在EHT配相符组中,吾们每一次做出的决定,或得出结论,都会通太甚歧算法,或者分歧角度,采纳两栽,三栽甚至四栽分歧角度往验证,倘若能得到同样的终局,那么这个终局,吾们才会采纳。

  首张黑洞照片表现的是相等于650亿倍太阳质量的物质,荟萃在一个圆形的光子轨道边界区域周围内的场景,其大幼十足相符喜欢因斯坦的理论预期。图像的中心位置就是事件视界,在其内部,就连光线都无法逃走;图像的下方比较清明,这是由于你正在现在击以挨近光速的速度,环绕黑洞周围运走的超高温气体物质。当它朝向吾们的视线倾向活动时,它看上往会更清明;而在图像的上方,情况逆过来,物质远隔你而往,它会变得黑淡一些。

  这是迄今为止,超大质量黑洞存在的最佳直接证据。而上下分歧区域的清明情况所指使的物质活动情况,能够让吾们估算出黑洞转动的自转轴方位。吾们也第一次有机会弄晓畅,这个质量高达650亿倍太阳质量的巨无霸,在赓续吞噬气体物质的同时,其自身方位朝向是如何的,因而能够产生吾们在最先时向行家所展现的那栽重大喷流。

  数十年来,吾们只能议决计算机往做模拟, 优博平台而现在确定了,之前吾们所做的都是精确的,吾们正在沿着精确的道路进取。

  这个黑洞到底有众大呢?以太阳系为例,你就能够看出这个黑洞到底有众大:整个太阳系都能够放进往。迄今飞的很远的人工飞船旅走者1号飞船,也才刚刚飞到事件视界边缘,在这个巨无霸黑洞眼前,人类相形见绌。

  那么异日吾们还将要做什么呢?

  完善了首张黑洞照片后,接下来吾们要做什么呢?那就是 “下一代事件视界看远镜”。做益这件事的关键就是位置。接下来,吾们将尝试把看远镜放在吾们想要的位置上,而不是像之前那样,只能在现有的看远镜基础上。选择正当的位置能更益地升迁不益看测精度,让图像更添清亮。不过,现在这还只是初步的设想。

  行为第一期工程,吾们计划在异日3~4年进走设计规划,并在第二期工程期间,最先尝试自走建筑交织许众新的台站。这些台站的看远镜能够不会太大,但吾们计划是变通地行使它们。与此同时,吾们的数据带宽将升迁4倍,达到256Gb/s。

  随着异日不益看测波段的扩展,数据量也将飞升。此前单波段的数据量已经相等惊人,已超过了超过10PB(编者注:1PB=1024TB),异日的数据量也许会突破100PB。吾想,专科人士看到如许的数据量会发抖吧!如何存储,如何运输,如那里理这些数据将成为一个题目。异日,吾们将必要新的超高速数据传输技术,或者云数据存储方案等等,各方面都必要做优化。但不管如何,吾们的现在的是异日不再是拍摄黑洞的静止照片,而是拍摄录像,从而协助解答一些专门基本的物理学题目。比如,现在的事件视界看远镜无法不益看测到星系喷流中专门邃密的一些扰动和首伏状态,但是下一代事件视界看远镜就能够做到。如此,将能够极大地协助吾们添深对黑洞如何产生星系喷流的意识。

  再比如,有了下一代事件视界看远镜,吾们将能够尝试拍摄黑洞的实时录像,能够很方便地追踪分歧的高温气体团的活动轨迹。

  在此之前吾们验证了喜欢因斯坦理论中关于光线在时空中曲曲的预言,而这一次,吾们将能够检验喜欢因斯坦关于高温气体物质在黑洞周围的活动的预言。吾们能够测定它环绕黑洞公转一周将必要众少时间,比如半个幼时等,结相符黑洞的质量数据,吾们将能够开展如许的检验。

  另外,吾们还能够尝试将看远镜放到太空中往。在矮地球轨道,甚至地球同步轨道上安放看远镜,从而进一步升迁看远镜的集体性能。

  首张黑洞照片的问世,离不开“事件视界看远镜国际配相符组”的集体辛勤,这项做事是由来自超过20个国家和地区,60众家大学和钻研机构的超过200名科学家共同参与的终局。

  在突破奖授奖典礼现场,Sheperd Doeleman批准了新浪科技等媒体的采访,以下为采访实录:

  问:吾们银河系中心的超大质量黑洞,它是塑造银河系的主导力量吗?

  回答:原形上,银河系中心的黑洞的影响周围,相比于重大的银河系来说是专门幼的。因此对于这个400亿倍太阳质量的黑洞大可不消忧忧郁。但这个黑洞实在会和银河系共同演化,赓续吸积物质,吞噬,成长,相符并,这其中照样有很众谜团尚未揭开。因此,关于银河系中心的超大质量黑洞原形如何与星系共同演化,今天照样是一个值得探讨的题目。

  问:一个黑洞的质量必要有众大,才干向其内部发射探测器而不至于在穿越事件视界时被引潮力撕碎?

  回答:这是一个益题目。原形上,存在两栽分歧类型的黑洞。一栽叫做恒星质量黑洞,它是在恒星物化亡时诞生的。超新星爆发之后,能够产生一个很幼的黑洞。这栽黑洞的引潮力专门恐惧,它会撕碎任何穿越它事件视界的物体;而那些超大质量黑洞,比如650亿倍太阳质量,或者400万倍太阳质量如许的黑洞,如许的黑洞太甚重大,以至于你能够毫无察觉地穿越它的事件视界,而十足不晓畅你本身已经告辞这个宇宙了。不过它内部一定照样存在人类能够感知到的某栽边界的。因此这边就有两栽边界,一栽是你感觉不到的,而另一栽就是你会被拉伸成“面条”的地方。

  问:黑洞周围气体物质的转动,以及黑洞本身的转动情况会不会对成像做事组成影响?

  回答:很棒的题目。吾们有一个理论,叫做“黑洞无毛”。也就是说,黑洞就是一个光溜溜的球,外外不会有任何其他东西。黑洞惟独两个基本参数:质量和自转。黑洞会自转,吾们信任M87星系核心的黑洞正在自转,由于吾们不益看察到它的南北两极存在高速喷流形象。但在这栽情况下,是气体物质在转动,与此同时黑洞本身也在自转。

  不过,所有模型都表现,在专门挨近黑洞的地方,即便是气体物质与黑洞的转动倾向是相逆的,黑洞也会带着气体物质一首转,转折后者的转动倾向。因此在前线的照片里,由于众普勒效答,吾们看到下部区域变亮,上部区域变黑,这正是由于黑洞自转产生的终局,这也是为何吾们能够得知黑洞自转轴方位的因为。但这并不会对吾们的成像做事带来众大的协助,由于吾们已经从吾们拍摄的专门清亮的图像中晓畅到了这一点。

  问:为什么1毫米旁边的波段成为最佳不益看测选择?

  回答:在这场宇宙大堵车事件中,所有气体都朝着黑洞的事件视界着落,强烈的摩擦会产生极高的温度,就像你摩擦双手会感到发炎相通,这是相通的原理。那里的气体温度能够被添炎到数十亿摄氏度,因此会发光。这也是为何吾们能够看到它们的因为。因此你必要找到一栽正当的波段,该波段的光线答该产生于引力势阱深处,尽能够挨近黑洞的位置上,并且还要能够从那里顺当逃走。而毫米波能够做到这一点,很众其他波长的光线却做不到。

  随后,它还必须穿越星系本身,M87星系其中有很众恒星际介质,会散射分歧波长的光子;再接下来,它还得经受星系际介质的考验,不过那都是比较稀奇的;末了,它还要穿过地球大气层才干抵达吾们的设备。

  光是这些,吾们就能够倾轧失踪很众波段,比如红外线,可见光的红色光,X射线,以及其他很众波段都不走了。但是1毫米波长就相符条件,能够穿过所有这些窒碍,并且它也是黑洞开释能量的主要波段之一。因此毫不稀奇的,它成了首选。

  问:你们用了四栽分歧的手段来处理数据来确保精确性。既然现在已经得到了精确的图像,在异日处理其他后续图像时,你们还会赓续用四栽分歧算法往做吗?照样说既然已经有了得到验证的走之有效的手段,就按这个手段就益?

  回答:这是一个很益的题目。吾现在就能够通知你,吾们现在正在处理拍摄的银河系中心黑洞,也就是所谓“半人马座A*”的图像数据。吾们照样采纳的是四栽算法别离进走的模式,由于银河系中心的黑洞质量要比M87的谁人黑洞要幼1000倍以上,这也就意味着环绕它转动的速度也要快上1000倍。

  气体绕转一圈的周期只要半个幼时,而之前吾们展现的M87核心的黑洞周围的气体,绕一圈则要一个月。因此一个夜晚,银河系中心的黑洞会转动益众圈。如许一来,吾们就不及拍摄静止图像了,而必须采纳录像模式。这很益理解,就像你正尝试拍一个从你镜头前迅速议决的人相通,你洗出来的照片能够会是糊的。吾们必须改进吾们的算法,现在已经有人在做这方面辛勤 了。

  问:吾属意到你们的网络只遮盖了西半球,而在东半球几乎异国涉及,这其中有什么考虑吗?

  回答:这其实是一个几何题目。现在吾们在和世界各地的人们接触,追求最佳的地点,以便能够填补进往,协助完善吾们的看远镜网络。

  只要是为了完善看远镜网络,必要吾们往那里,吾们就往那里,吾们有专门棒的博士后和门生正在协助钻研如何优化吾们的网络组织。吾们甚至制作了一张“世界炎力图”,其中考虑了各栽分歧的因素,比如大气,对于完善网络节点的意义,当地的基础设施情况等等,只要那里吾们觉得正当,吾们就会往。

  吾们将会和世界各国配相符,将这件事(事件视界看远镜)做成。将地球变成一台看远镜的技术必要吾们与各国开展普及的配相符,异日,吾认为中国会在其中占有一席之地。

  问:那你认为中国将会发挥什么样的作用?

  回答:倘若吾们进入太空,那么中国在太空技术方面专门有经验,又或者吾们异日建筑交织新的看远镜,中国在这方面同样拥有专科技术。吾们专门憧憬与中国的科学家们开展配相符。

  问:现在用于不益看测黑洞的看远镜统统有几台?异日还会再增补更众新的看远镜吗?会在哪个国家?

  回答:用于不益看测黑洞,吾们现在有8台看远镜,它们位于6责罚歧的地点。而现在,吾们正在3责罚歧地点建筑交织新的看远镜,如许一来吾们就将拥有11台看远镜了。而在异日,除了拍摄更添高清的黑洞静止图像之外,吾们还期待能够拍摄黑洞的录像。由于录像能够展现黑洞演化的实时过程,比如黑洞是如何吞噬物质的,以及黑洞是如何在其南北两极产生喷流的?黑洞如何自转?以及黑洞如何与它所在的星系共同演化,等等。

  问:吾们晓畅有很众中国的科研机构参与了EHT看远镜项现在,共有16位中国科学家参与其中,是如许吗?

  回答:原形上答该是远超过16幼我的,吾不晓畅详细数字,由于赓续有新的成员在添入吾们。但是中国的科学家不光仅是参与到数据分析做事中,他们还议决一系列东亚地区的天文台参与声援设在夏威夷的詹姆斯·麦克斯韦看远镜(JCMT),而那台看远镜对于吾们来说专门主要。因此中国不光在数据分析方面与吾们展开配相符,还在看远镜等其他周围与吾们配相符。

  问:异日,除了黑洞之外,你们还有其他现在的计划进走不益看测吗?

  回答:事件视界看远镜极其重大,原形上吾们能够用它对很众分歧的现在的进走不益看测。举一个例子,也许吾们能够用它来不益看察恒星的物化亡过程。不过那将会是在异日,也许是明年,或者更晚的时间。

  问:今年4月份的黑洞照片让吾们惊叹不已,你有异国意料到会有更添先辈的技术,能够添速有关数据的处理过程?

  回答:这真是个益题目!之于是吾们之前花了两年众时间,是由于吾们一向在逆复地进走各栽核对。异日,既然吾们已经晓畅了数据分析的手段,那么吾们将能够做的更快一些。不过与此同时,有更众的看远镜添入进来,吾们采集到的数据也将变得越来越众。因此这边永世都存在一栽主要有关:那就是你能够采集到众幼批据,以及你有众少计算机算力能够被调配过来用于数据的分析。但吾认为在异日,随着吾们拍摄黑洞的录像,吾们将会找到更益的技术来解决这个题目的。

  问:你晓畅中国的FAST看远镜吗?

  回答:是的,FAST是一台了不首的看远镜,但是对于事件视界看远镜而言,EHT项现在由于频段现在无法行使FAST,但它照样能够被用来开展很众兴味的科学。

  问:能否谈谈“突破摄星”计划(Breakthrough Starshot),这个计划的现在的是飞向半人马座α。你们不益看测过飞向半人马座α吗?

  回答:最先,那里并异国能够让吾们不益看测的现在的,由于那里并异国巨型黑洞存在。因此吾们不益看测的现在的主要照样银河系的核心,以及M87星系的核心,因此吾们异国手段往协助“突破摄星”计划。但是异日也许会有一个“突破视界”看远镜项现在呢?吾不晓畅。

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posted @ 2020-01-18 09:07 作者:admin  阅读:

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