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AG亚游手机客户端:黑洞照片怎么拍的从准备到冲洗深度揭秘



大年夜量天文不雅测数据已证明,在众多的宇宙傍边,有无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。

但人类却从未直接“看”到过黑洞,并不知道它的真实样子容貌。

为了能一睹黑洞真容,2017年4月5日到14日之间,来自举世30多个钻研所的科学家们启动了一项大志勃勃的宏大年夜不雅测计划。他们将散播于举世不合地区的8个射电千里镜阵列组成一个虚拟千里镜收集,盼望使用其捕获黑洞影像。

终极,科学家们成功拍摄到了黑洞的第一幅“照片”。

北京光阴2019年4月10日21时,这张照片在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时宣布。传说中的黑洞终于揭开神秘面纱。

人类有史以来的第一张黑洞照片是若何拍摄的,记者为您揭秘全部历程。

熟识黑洞

理论上,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围,该势力范围称作黑洞的半径或称作事故视界。

那么,黑洞是怎么形成的?

像宇宙万物一样,恒星也会朽迈逝世亡。一些大年夜质量恒星在核聚变反映燃料耗尽时,内核会急剧塌缩,所有物质快速的向着一个点坍缩,终极坍缩成一颗黄豆大年夜小的奇点,并形成一个强大年夜的力场漩涡,扭曲周围时空,成为黑洞。

宇宙中,根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍—上百倍太阳质量)、超大年夜质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。

根据理论推算,银河系中应该存在着上切切个恒星量级的黑洞。然而,由于黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接不雅测到它。

既然无法“望见”,那怎么就知道它存在呢?天文学家们主如果经由过程各类间接的证据。

中国科学院上海天文台钻研员沈志强:“主要有三类代表性证据。一是恒星、气体AG亚游手机客户端的运动透漏了AG亚游手机客户端黑洞的踪迹。黑洞有强引力,对周围的恒星、气体会孕育发生影响,于是我们可以经由过程不雅测AG亚游手机客户端这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质,也便是吃器械时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是经由过程看到黑洞生长的历程‘看’见黑洞。”

到今朝为止,经由过程间接的不雅测,科学家们在银河系发明和确认了20多个恒星级质量黑洞,但可能有上切切个恒星级黑洞候选体。

沈志强说:“宇宙每个星系中间都有一个超大年夜质量的黑洞。我们栖身的银河系中间就有一颗,它的质量大年夜约是太阳质量的400多万倍。除此之外,银河系还有很多恒星级黑洞。”

这些神秘的黑洞和宇宙的出生和演化有何关系?它和所在的星系之间又有什么关系?它又和我们人类有什么关系,会不会对我们的生活孕育发生影响?……

为了更准确清晰地解答这些问题,科学家们想直接“看”到黑洞。

筹备“相机”

广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但由于黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引着落。气体着落至黑洞的历程中,引力能转化为光和热,是以气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的豁亮区域内,事故视界看起来就像阴影AG亚游手机客户端,阴影周围萦绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如月牙状的光环。

爱因斯坦的广义相对论已猜测过这个“阴影”的存在,以及它的大年夜小和外形。

科学家们期望此次能直接捕获到这个黑洞“阴影”的图像。

中国科学院上海天文台钻研员路如森说:“对黑洞阴影的成像将能供给黑洞存在的直接‘视觉’证据。”

路如森说:“这就必须要包管千里镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而能包管看获得和看得清。”

但满意上述所有前提,千里镜的口径必要像地球大年夜小。

然而,今朝地球上已有的单个千里镜最大年夜口径也只有500米。

那该怎么办?

智慧的天文学家们想到了一个好法子——搞强强联合。

把地球上现有的一些千里镜“组合”起来,就能够形成一个口径如地球大年夜小的“虚拟”千里镜,其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。

于是,举世跨越200名科学家杀青了“事故视界千里镜”(EHT)这一重大年夜国际相助计划,抉择使用甚长基线过问丈量技巧。

沈志强说:“便是使用多个位于不合地方的千里镜在同一光阴进行联合不雅测,着末将数据进行相关性阐发之后合并,这一技巧在射电波段已相称成熟。”

终极,科学家们选定了来自举世多地的包括南极千里镜等8个亚毫米射电千里镜。

路如森说:“它们多半都是单一千里镜,比如夏威夷的JCMT和南极千里镜。也有千里镜阵列,比如ALMA千里镜是由70多个小千里镜构成。”

选定目标

在组建大年夜型虚拟千里镜的同时,科学家们也在探求着相宜的拍摄目标。

黑洞剪影和周围萦绕的月牙般光环是异常异常小的。在摄影设备能力有限的环境下,要想拍摄到黑洞照片,必须找到一个看起来角直径足够大年夜的黑洞作为目标。

科学家们甄选了一圈之后,抉择将隔邻的两个黑洞作为主要目标:一个是位于人马座偏向的银河系中间黑洞Sgr

A*,另一个则是位于射电星系M87的中间黑洞M87*。

沈志强说:“因为黑洞事故视界的大年夜小与其质量成正比,这也意味着质量越大年夜,其事故视界越大年夜。我们选定的这两个黑洞质量都超级大年夜,它们的事故视界在地球上看起来也是最大年夜的,可以说是今朝最优的成像候选体。”

只管如斯当选择的两个黑洞已是最优成像候选体,但要清晰为它摄影,难度照样极其大年夜。

Sgr A*黑洞的质量大年夜约相称于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相称于17个太阳的大年夜小。然而,地球与Sgr

A*相距2万5千光年(约24亿亿公里)之遥。

沈志强说:“这就意味着,它伟大年夜的视界面在我们看来,大年夜概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去不雅看一枚放在月球外面的橙子。”

M87中间黑洞的质量更为伟大年夜,达到了60亿个太阳质量。

只管M87中间黑洞与地球的间隔要AG亚游手机客户端比Sgr A*与地球之间的间隔更远,但因质量宏大年夜,以是它的事故视界对科学家们而言,可能跟Sgr

A*大年夜小差不多,以致还要轻细大年夜那么一点儿。

调试相机

要想看清楚两个黑洞事故视界的细节,事故视界千里镜的空间分辨率要达到足够高才行。

要多高呢?

路如森说:“比哈勃千里镜的分辨率超过跨过1000倍以上。”

但也别以为,只要虚拟千里镜阵列的分辨率足够高,就必然能成功给黑洞摄影。

实际环境并没那么简单!犹如不雅看电视节目必须选对频道一样,对黑洞成像而言,能够在相宜的波段进行不雅测至关紧张。

此前的一系列钻研注解,不雅测黑洞事故视界“阴影”的最佳波段是约为1毫米。

路如森说:“由于气体在这个波段的辐射最豁亮,而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中间传播到地球。”

在这种环境下,千里镜的分辨率取决于千里镜之间的间隔,而非单个千里镜口径的大年夜小。

为了增添空间分辨率,以看清更为渺小的区域,科学家们在这次进行不雅测的千里镜阵列里增添了位于智利和南极的千里镜。

沈志强说:“这样设置是为了要包管所有8个千里镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大年夜的空间分辨率。”

正式拍摄

8个千里镜北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大年夜网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的样子容貌。

留给科学家们的不雅测窗口期异常短暂,每年只有大年夜约10天光阴。对付2017年来说,是在4月5日到4月14日之间。

除了不雅测光阴上的限定,拍摄对气象前提要求也极为苛刻。

“由于大年夜气中的水对这一不雅测波段的影响极大年夜,水会影响射电波的强度,这意味着降水会滋扰不雅测。”

沈台说,“要想视界面千里镜顺利不雅测,必要所有千里镜所在地的气象环境都异常好。”

按照要求,计划选择的8个千里镜所在之处均是位于海拔较高,降雨量极少,整个晴天的概率异常高。

此外,要成像成功还必须要求所有千里镜在光阴上完全同步。

北京光阴2017年4月4日,事故视界千里镜启动拍摄,将视线投向了宇宙。着末的不雅测停止于美国东部光阴4月11日。

不雅测时代,每一个射电千里镜都网络并记录来自于目标黑洞相近的射电波旌旗灯号,这些数据然后被集成用于得到事故视界的图像。

沈志强说:“为了确保旌旗灯号的稳定性,事故视面千里镜使用原子钟来确保千里镜网络并记录旌旗灯号在光阴上同步。”

冲洗照片

给黑洞拍张照片不轻易,“洗照片”更是耗时漫长。

射电千里镜不能直接“看到”黑洞,但它们将网络大年夜量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

在不雅测停止之后,各个站点网络的数据将被搜集到两个数据中间(分手位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,超级谋略机经由过程回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不合千里镜的光阴差后将所稀有据集成并进行校准阐发,从而孕育发生一个关于黑洞高分辨率影像。

此后,颠末长达两年的“冲洗”,2019年4月10日,人类历史上首张黑洞照片终于问世。

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