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黑洞照相机给“天籁”拍“抖音”

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发表于 2019-2-14 10:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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转载    《科学网》
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/2/422854.shtm

作者:池涵  李晨   来源:中国科学报 发布时间:2019/2/12

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太阳大小的恒星与超大质量恒星的生命循环

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引力透镜原理

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黑洞模拟图


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黑洞冕X 射线耀发示意图 图片来源:NASA,STScI


■本报实习生 池涵 记者 李晨

科学界对于黑洞行为一直有一个争论:光子从黑洞的冕传播到吸积盘所需要的时间缩短,究竟是由于冕的收缩,还是吸积盘的内半径变小?

近日,一个由美国科学家领导的国际研究团队在英国《自然》杂志上发表了一篇关于黑洞行为最新观测结果的文章。研究者采用放置在空间站上的中子星内部组成探测器(NICER),观测了MAXI J1820+070黑洞吸积伴星暂现源。

这次观测对上述争论给出了一个合理的解释。这让科学界很兴奋,这篇论文也因此成为《自然》杂志封面文章。

能够作出这一发现,科学家依靠的是高精度的观测设备。或许有一天,我们也可以用高精度“照相机”给黑洞拍个“抖音”。

拍摄黑洞的“快手”

黑洞在吸积过程中会产生两个X射线信号,先有一个来自黑洞冕的硬X射线信号(即高频信号),第一个信号传播到吸积盘后会产生另一个软X射线信号(即低频信号)。光子从冕传播到吸积盘需要时间,所以有时间延迟。

中国科学技术大学天文学系特任副研究员蒋凝告诉《中国科学报》,前述最新成果发现,MAXI J1820+070在X射线耀发后的时间延迟仅为之前的1/6至1/20,由于黑洞的外部结构中只有冕和吸积盘两个单元,因此对这种时延缩短有两种可能的解释。

一种解释认为,是吸积盘的内半径变小了,也就是被截断了;另一种解释则是冕收缩到离吸积盘更近。科学家推测,如果前一种解释是正确的,由于引力红移效应,会导致能谱上Fe K线的轮廓发生变化。借助本次观测中同时拥有高时间精度和高能谱分辨率的“利器”NICER,研究人员发现Fe K线的轮廓基本保持不变,因此剩下的就是后一种解释了,即导致时延缩短的原因是冕的收缩。

能够获得如此精确的观测结果并推导出这一重要的科学结论,依靠的是两个安装在国际空间站上的“劳模”——全天X射线监测相机(MAXI)和中子星内部组成探测器(NICER)。2018年3月11日,MAXI发现在狮子座方向距离我们大约1万光年的位置有一个X射线耀发,NICER随即开始监测这个事件。

公开资料显示,NICER是NASA为研究中子星异常引力、电磁和核物理环境而开发的一款设备,于2017年6月3日部署至国际空间站。

蒋凝介绍道,与此前的类似设备,如X射线多镜片任务卫星XMM-Newton相比,NICER最大的优势就是时间分辨率极高,达到100纳秒,比之前NASA最好的计时设备罗西X射线计时探测器要快25倍。

“X射线卫星尽量要做到一个一个地记录光子,因此需要很高的时间分辨率,否则在同一个计时区间内有几个光子到达,我们就无法知道每个光子的能量。MAXI J1820+070每秒差不多有25000个能量0.2~12千电子伏的光子到达NICER,正因为有超快的计时,才能区分开一个个光子。相比之下,XMM-Newton在每秒接收600~800个光子的时候就有光子‘堆积效应’。不仅如此,NICER在软X射线波段的有效能谱面积也是最高的,是XMM-Newton卫星的两倍。”蒋凝说,NICER在具备快速计时和大有效能谱面积的同时还能提供精良的能谱分辨率(6千电子伏时为145电子伏)。

正是得利于这样优越的天赋,NICER才能用来帮助科学家捕捉黑洞边缘的一些微弱信息。

逃离黑洞的信息

黑洞是广义相对论预言的一类非常独特的时空结构。它在我们观测的宇宙中主要有两类存在形式,一种是100倍太阳质量以下的恒星级黑洞,它们是大质量恒星演化到晚期死亡的产物。

另一类是100万倍太阳质量以上的超大质量黑洞,它们位于星系的中心。蒋凝告诉《中国科学报》,超大质量黑洞的物理起源并不明确,最早是上世纪60年代为了解释类星体巨大的能量输出而被提出的,后来被近邻宇宙的恒星或者气体动力学研究所证实。

“此外,还有一些极亮X射线源可能是100倍至几十万倍太阳质量的中等质量黑洞。”中科院国家天文台研究员、中国科学院大学教授、国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人、基普·索恩天文学通识著作《星际穿越》译者之一苟利军告诉《中国科学报》。

超大质量黑洞的形成和增长是目前的一个热点问题。当这些超大质量黑洞剧烈吸积物质的时候,会将物质的引力势能转化为辐射释放出来,表现为活动星系核(简称AGN)。

有意思的是,世纪之交,人们发现超大质量黑洞的质量与它们所寄居的星系的性质紧密相关,强烈暗示它们是共同成长与演化的。

有人可能会问,黑洞不是光都无法逃逸的吗?为什么我们还可以观察到一些黑洞的信息?

实际上,黑洞的结构包括视界面以内的自身部分,以及冕和吸积盘等外部结构。“如果光进入视界面,确实就无法逃脱黑洞的魔爪。”蒋凝说道,“但是在物质还没进入到视界面之前,我们仍然可以看到被黑洞吸积的物质落向黑洞的过程中的辐射。由于具有角动量,物质并不会径直掉到黑洞里,而是沿螺旋线转着飞进去,这样就形成了一个吸积盘。”

不同的情况下,吸积盘的形式有区别。蒋凝介绍:“类星体的吸积被认为是标准薄盘。而我们银河系中心的黑洞的吸积率比较低,大家猜测它是一个径移主导吸积盘。”

黑洞的吸积过程能产生多波段的光子,甚至可以说几乎能释放全波段的辐射,从X射线、紫外、光学、红外到射电都有。

“其中X射线光子根据能量高低分成硬X射线和软X射线,它们在黑洞吸积的物理过程中主要产生的区域和机制是不同的。软X射线一般认为来自吸积盘的热辐射,而硬X射线来自吸积盘的软光子打到盘上面的冕,经过逆康普顿散射到更高能量产生的。”蒋凝告诉《中国科学报》。

除了黑洞辐射以外,某些活动星系核或类星体中心,在吸积盘磁场的作用下,可能会产生长度达几千甚至数十万光年的等离子体喷流。如果喷流的方向恰巧和黑洞与地球的连线一致,也可以观测到受相对论影响下的喷流的明亮改变。

黑洞捕手

那么,有哪些观测手段可以用来探寻上面的黑洞线索呢?

由于黑洞吸积过程产生的辐射是多波段的,因此对它的研究也是多种多样的。

记者从蒋凝处了解到,虽然恒星级黑洞最早是通过X射线发现的,但是作为类星体中心引擎的超大质量黑洞其实最早是在射电波段发现的,因此射电天文望远镜也是研究黑洞的常用手段,比如黑洞视界面望远镜。

除此之外,我们最熟悉的地面光学望远镜等更是可以对黑洞进行常规的发现和研究,比如美国的斯隆数字巡天项目(SDSS)就发现了成千上万的类星体。

说到黑洞观测,就不得不谈视界面望远镜EHT,这是一个由12个国家30多所大学和天文台站参与的国际联合项目,通过以甚长基线干涉技术VLBI联合全球的8台射电望远镜形成一口径等效于地球直径的虚拟望远镜,进行超高空间分辨率的射电成像来探测银河系中心的黑洞视界面。

视界面望远镜的观测目标为超大质量黑洞人马座A*和M87星系中央的超大质量黑洞。2017年4月,视界面望远镜首次连线观测人马座A*。

视界面望远镜计划的提出使得人类第一次有机会直接给黑洞拍一张能分辨的照片。黑洞是否真实存在?视界面、吸积盘和冕上的细节是怎样的?诸如此类的问题终于有了正面回答的机会。

近年来,随着自主天文仪器的巨大进步,我国在黑洞观测领域也逐渐步入国际舞台。蒋凝谈到,我国早期黑洞研究偏向于理论方面,比如吸积盘理论等。现在,一些前沿设备正在积极参与黑洞观测。比如2017年上天的硬X射线调制望远镜(HXMT,又称慧眼卫星),就用来捕捉类似MAXI J1820+070这样的X射线耀发事件。

慧眼卫星,是中国第一颗大型空间X射线探测天文卫星。它既可以实现宽谱段、高灵敏度、高分辨率宇宙X射线巡天、定点和小天区观测的空间X射线天文观测,同时也具有高灵敏度的伽马射线暴全天监视仪。其命名涵义之一是为了纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何泽慧。

2017年6月15日,HXMT卫星发射成功,开展科学观测。2018年1月30日,中国首颗X射线天文卫星“慧眼”正式交付,投入使用。在轨一年多来,“慧眼”已经探测到伽马暴、两个太阳大小的中子星合并引起的引力波事件等多个天文事件,取得了丰富的成果。

另外,中科院“十三五”先导专项卫星爱因斯坦探针(EP)着眼于软X射线波段,预计将于2022年前后上天。蒋凝介绍道,这个卫星特别适合捕捉黑洞潮汐摧毁并吞噬恒星产生的X射线暂现爆。

苟利军认为,包括黑洞内部的结构、奇点、对黑洞样貌的直接观测等,都是黑洞研究的当前热点问题。另外,理论上银河系内的黑洞应该有上亿个,但是目前只找到了上百个,大多数黑洞在什么地方也是困扰人们的问题。

随着越来越多的高精度先进观测设备的服役,一个又一个黑洞相关的科研问题将在科学家面前揭开谜底。

相关论文信息:DOI:10.1038/s41586-018-0803-x
《中国科学报》 (2019-02-12 第8版 探索发现)



发表于 2019-2-17 07:08 | 显示全部楼层
黑洞充满神秘感,希望楼主能多多发布他的研究。

点评

看注册,你是新来的。实际上,这里关于黑洞方面的文章已经不少了。当然,有关这方面的新进展,肯定会发的。  详情 回复 发表于 2019-2-18 11:38
这个他是指谁呢? 是蒋凝还是苟利军?或是国外的? 从句意上判断,这个“他”该是指的黑洞吧。  详情 回复 发表于 2019-2-17 21:48
 楼主| 发表于 2019-2-17 21:48 | 显示全部楼层
浮星 发表于 2019-2-17 07:08
黑洞充满神秘感,希望楼主能多多发布他的研究。

这个他是指谁呢? 是蒋凝还是苟利军?或是国外的?

从句意上判断,这个“他”该是指的黑洞吧。


 楼主| 发表于 2019-2-18 11:38 | 显示全部楼层
浮星 发表于 2019-2-17 07:08
黑洞充满神秘感,希望楼主能多多发布他的研究。

看注册,你是新来的。实际上,这里关于黑洞方面的文章已经不少了。当然,有关这方面的新进展,肯定会发的。
发表于 2019-2-23 08:22 | 显示全部楼层
很期待你的发帖。
 楼主| 发表于 2019-3-13 22:14 | 显示全部楼层
人类史上首张黑洞照片有望在年内面世

作者:徐兴堂 张春晓 来源:新华网 发布时间:2019/3/11

转  科学网
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/3/423810.shtm


新华社美国奥斯汀3月10日电(记者徐兴堂 张春晓)经过全球200多位科学家数年的努力,人类史上首张清晰的超级黑洞照片有望在今年年内面世。

在此间举行的2019年美国“西南偏南”多元创新大会和艺术节上,项目负责人、美国哈佛-史密森天体物理学中心资深天文学家谢泼德·杜勒曼接受新华社记者采访时说:“对这个项目的成功我们非常乐观,实际上我们已经完成了几乎所有工作。”

他说,现在需要做的就是反复测试和论证各种数据,然后首张超级黑洞照片将最终成型并于2019年年内正式公布。

200多位分布在世界各地的科学家参与了这一项目,其中4位出席了“西南偏南”一个专题论坛并对项目进行讲解。据他们介绍,给超级黑洞拍照是通过“事件视界望远镜”系统完成的,这是一个由分布在全球各地的射电望远镜组成的虚拟望远镜阵列,口径与地球直径相当。2017年4月,阵列中的8台望远镜同时运作,完成了超级黑洞相关数据的收集。

上个世纪初,爱因斯坦提出的广义相对论预测黑洞不仅存在,而且还是宇宙中一些极端现象的“幕后推手”。黑洞是一种体积极小、质量极大的天体,具有非常强的引力,在它周围的一定区域内,连光也无法逃逸出去,这一区域称为“事件视界”。“事件视界望远镜”实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。

据介绍,“事件视界望远镜”已经收集了两个超级黑洞的信息,一个是位于银河系中心的“人马座A*”,另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心。一旦团队确信所有数据都得以测量校正,所有程序都成功验证,首张超级黑洞照片就将面世。

荷兰阿姆斯特丹大学天体物理学教授萨拉·马尔科夫说,“事件视界望远镜”抓取的照片将是真正的鸟瞰图,它将帮助我们了解为何黑洞能对宇宙中的天体产生深刻影响。

美国亚利桑那大学天文和物理学教授迪米特里奥斯·帕萨提斯说,这个项目将可以验证爱因斯坦的预言。“就像首次进入一个全新的领域……什么都阻止不了我们由衷的兴奋。”

2019年“西南偏南”多元创新大会和艺术节8日在美国得克萨斯州首府奥斯汀开幕,为期10天的系列活动聚焦科技创新、音乐、电影和艺术等领域前沿话题。



 楼主| 发表于 2019-4-9 11:03 | 显示全部楼层
黑洞明天终于要显真身了,是谁为它拍了第一张照片呢?
来源   腾讯网  2019/04/09 10:06
https://new.qq.com/omn/20190409/20190409A04MAN00

出品:科普中国
制作:黑洞来客团队 苟利军 黄月
监制:中国科学院计算机网络信息中心

2019年4月10日中部标准时间15:00(北京时间 4月10日21点整),全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言,通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果,人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布, 一直“活在传说中”的黑洞终于要露真容了。

在此之前,笔者研究黑洞将近20年,我常常被人问到“黑洞是什么样的”。

说实话,我并不确定。

除了在论文课件中自制的效果图,第一次“亲眼”看到黑洞形象是2015年在电影院里,荧幕上是《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象(见图一),和想象中的相差无几。

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图一:电影星际穿越当中的黑洞,周围的亮环是由气体构成的吸积盘(来源:电影《星际穿越》)

从广义相对论推知而来的黑洞,就存在于宇宙深处,这一点在21世纪的今天或已无可置疑。黑洞确凿地存在于无数观测数据之中,但我们并不知道它在现实中的真实模样。如今,人类终于要为黑洞拍下第一张真正的照片了。

去年,事件视界望远镜观测计划开启
2017年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸将达到地球直径大小。人类在2015年第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声,从那以后,科学家们又在为亲眼目睹黑洞真容而努力了。

无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——是像电影画面一般壮观恢弘,或者只有几个模糊的像素点——事件视界望远镜都意义非凡,这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单,它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论,一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。我们将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类,真是好运气。

无图无真相,科学家怎么知道黑洞在那里?
尽管“黑洞”(black hole)一词在1968年才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出来,但早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell)便已经意识到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。这也是普通人在今天对于黑洞的最基本认识:吸入所有一切,连光都逃不出来。

既然想一睹黑洞“芳容”,我们对这个遥远天体的认识就得再多些。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,“奇点”在其周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。你大概感到好奇:登山家们勇攀高峰的原因是“山就在那里”,可是,既然天文学家们根本看不到黑洞,他们是怎么确定“黑洞就在那里”的呢?

黑洞自身不发光,难以直接探测,大大小小的望远镜对于直接观测遥远黑洞力不能逮。科学家们便只能够“曲线救国”,采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。
在某些时候,恒星量级(从3个太阳质量到100个太阳质量大小)的黑洞会存在于一个恒星周围,将恒星的气体撕扯到它自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,即吸积盘。
当吸积气体过多,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去,形成喷流。

吸积盘和喷流两种现象(见图二)都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射,所以很容易被科学家探测到,黑洞的藏身之处也就暴露了。

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图二:恒星级黑洞系统示意图(来源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

理论很丰满,现实很骨感。以我们的银河系为例,根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞,可到目前为止,我们只确认了20多个黑洞的存在,此外还有4、50个黑洞候选体。

要最终真正确认一个天体是否为黑洞,我们还需要做出更多测量与计算。要探测一个从几十万个太阳质量到几十亿甚至上百亿个太阳质量的超大质量黑洞,挑战就更大了,科学家们为了确认银河系中心黑洞Sgr A*的存在,着实费了不少力气。

望向银河中心黑洞的视界面,犹如在地球上看月球上的橙子

发现黑洞已如此不易,给它拍照岂不是更难?
从17世纪初人类发明望远镜至今,天文望远镜的口径已变得越来越大,从最早的2.5厘米口径,到目前最大的10米口径光学望远镜,还有我国贵州的500米口径射电望远镜,下一代更大口径的望远镜也正在计划或建设当中,这些望远镜无一不凝结了人类的智慧,甚至代表了人类社会的最高科技水平。然而,要想观测遥远黑洞,依靠目前任何单个望远镜都还远远不够。因此,在过去10多年时间里,麻省理工学院(MIT)的科学家们联合了其它研究机构的科研人员,开展了激动人心的“事件视界望远镜”项目,全球多地的8个亚毫米射电望远镜将同时对黑洞展开观测(见图三)。

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图三:望远镜在全球分布示意图,红点代表望远镜所在地(来源:http://m.sohu.com/a/133852929_376569

这八兄弟北至西班牙,南至南极,它们将向选定的目标撒出一条大网,捞回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。

这些望远镜分别是:南极望远镜(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);

位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

它们多数都是单一望远镜,比如夏威夷的JCMT和南极望远镜;也有望远镜阵列,比如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。视界面望远镜此次观测目标主要有两个,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。

之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限,观测的难度更大。Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。
哇,超大!!然而……地球与Sgr A*相距2万5千光年(约24亿亿公里)之遥,这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

M87中心黑洞的质量达到了60亿个太阳质量,尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的视界面对我们而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至还要稍微大那么一点儿。

8个望远镜同时看到2个黑洞,每年只有10天窗口期
要想看清楚两个黑洞视界面的细节,视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢?比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。

科学家们之前可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量,但是,相较于恒星与黑洞之间的距离尺度(1万亿公里),视界面的尺度太微小了(至少小10万分之一倍),因此利用单个镜面很难完成。这时候,为了增强空间分辨率,我们就需要使用“干涉”技术了,即利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并,这一技术在射电波段已相当成熟。

在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而非单个望远镜口径的大小,所以,事件视界望远镜的分辨率相当于一部口径为地球直径大小的射电望远镜的分辨率。
在此事件视界望远镜进行观测之前,天文学家们已经利用其中部分毫米望远镜对Sgr A*和M87星系中心黑洞进行了联合观测,并得到了一些令人兴奋的结果:尽管没能看清黑洞视界面,但已探测到了黑洞中心区域的辐射。

为了增加空间分辨率,以看清更为细小的区域,科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间(对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间)。

在所有参与观测的望远镜当中,坐落于智利、耗资140亿美金的ALMA毫米望远镜(见图四)是最为重要的一个,因为其灵敏度是目前单阵列当中最高的,但它的观测时间也是最为宝贵的。

限于ALMA望远镜满满的排班表上一系列拥挤的观测计划,此次黑洞视界面的观测目前只计划进行4-5天,其中两个晚上讲对银河系中心黑洞Sgr A*进行观测,剩下的时间将会对星系M87黑洞展开观测。

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图四:位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)望远镜


除了黑洞“芳容”几何,这一观测还将为我们解答诸多问题
给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大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。

对于之前的干涉仪来说,因为不同望远镜之间的距离不会太远,不同位置的观测数据通常可以实时比较、合并而后得到图像,科学家们是有可能实时在屏幕上看到图像的。但对于此次跨越南北半球的事件视界望远镜观测,因其所涉及的站点区域非常广阔,所产生的数据量将十分庞大。事件视界望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB (1PB=1000TB=1000000 GB),和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多。考虑到有些区域(比如南极)的数据传输速度相对较慢,所以科学家们在观测时不会对各个站点的数据进行实时相关分析,所以更不可能在屏幕上看到黑洞的实时图像。

在每一个观测中心,科学家们将利用提前校对好的原子钟时间,对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘,等到观测结束之后再汇总比较。

在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析,从而产生一个关于黑洞的图像。这一分析所需的时间少则半年,长则一年。

万事具备,只欠东风。

设备准备就绪之后,剩下一个非常重要的因素,就是天气以及观测时间了。因为大气中的水对这一观测波段的影响极大,要想事件视界望远镜顺利观测,需要所有8个望远镜所在地(从夏威夷到智利,从墨西哥到南极)的天气情况都非常好。目前这些望远镜所在之处通常都是位于海拔较高,另外降雨量也是极少,所以全部晴天的概率其实非常高。

当所有数据被合并,最终得到图像时,包括我在内的天文学家们,希望看到这样一副图像:一个黑色的圆盘,被一个非常靠近黑洞视界面、很亮的光子圆环所围绕;因为黑洞转动的多普勒效应,光子圆环一侧较亮,另外一侧较暗(见图五)。

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图五:视界面望远镜可能得到的计算机模拟黑洞图像,因为黑洞的转动效应,黑洞左侧较亮(来源:https://zhuanlan.zhihu.com/p/61415770

事件视界望远镜的观测对于科学研究有着非常重大的意义。

天文学家们希望能够通过这一观测结果,对爱因斯坦的广义相对论做出最为严格的限制。与此同时,黑洞图像将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。
当然,这是科学家心中的理想图景,实际得到的黑洞图像可能要差很多。但无论最终的图像如何,即便是只能够看到几个像素,此次视界面望远镜的观测也将是人类黑洞观测史上的重要一步。

我们是何其幸运,将成为这宇宙中第一批亲眼看到黑洞的碳基生物。

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点评

等着看。及时发。  详情 回复 发表于 2019-4-10 10:44
发表于 2019-4-10 10:44 | 显示全部楼层
zhangms 发表于 2019-4-9 11:03
黑洞明天终于要显真身了,是谁为它拍了第一张照片呢?
来源   腾讯网  2019/04/09 10:06
https://new.qq. ...

等着看。及时发。
 楼主| 发表于 2019-4-11 11:02 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhangms 于 2019-4-11 11:04 编辑

人类首次“看见”黑洞 爱因斯坦又说对了
来源  科学网
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/4/425040.shtm

作者:董瑞丰、王琳琳 来源:新华网 发布时间:2019/4/10 21:41:49


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这是人类史上首张黑洞照片。北京时间4月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。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据,有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。 新华社发(事件视界望远镜项目组 供图)

新华社上海4月10日电(记者董瑞丰、王琳琳)人类史上首张黑洞照片面世!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。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据,有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。
                         
这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体——黑洞,一种体积极小、质量极大的天体,如同一个宇宙“吞噬之口”,连光也无法逃逸。
                         

露出真容的黑洞,位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。

百余年前,爱因斯坦的广义相对论率先对黑洞作出预言,从此成为许多科幻电影的灵感源泉。科学家陆续通过一些间接证据证实了黑洞的存在,但人类始终没有真正“看到”过黑洞。                         
                      

  “这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据,证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。”参与国际合作的中方科学家、中国科学院上海天文台台长沈志强说。
                         
质量极其巨大的黑洞,是宇宙中的神秘存在。这次通过分布全球的观测点组成一个口径如地球大小的虚拟望远镜——黑洞事件视界望远镜,顺利实现在1.3毫米波长的观测,并经过长期的数据分析,成功“捕获”黑洞的影像。
                         

由于需要极高的灵敏度,组成全球网络的8个射电望远镜分布在多个高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。“这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”中方科学家、上海天文台研究员路如森说。

“看”得远、“看”得清仍然不够,给黑洞拍照还要“看”得准。“观看电视节目要选对频道,黑洞影像也必须在合适的波段才能观测。”路如森说,最佳波段在1毫米附近,这一波段的黑洞光环最明亮,而背景“噪音”又最小。
                         
该国际合作项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼表示,过去10多年里,技术的突破、全球天文台的合作等,让人类最终打开了一个观测黑洞的全新窗口。
                         


                         




 楼主| 发表于 2019-4-11 11:11 | 显示全部楼层
科学家终于见到了黑洞的“真身”

作者:丁佳 来源:科学网 发布时间:2019/4/10 21:41:49
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/4/425039.shtm



上帝说,要有光,于是就有了光。

有一个地方可能除外。黑洞具有非常强大的引力场。使得光都无法逃脱它的势力范围。这个势力范围,就叫做事件视界。

这也让黑洞成为了宇宙中为神秘的天体之一。2015年电影《星际穿越》中对黑洞形象的描画,更是令无数人浮想联翩。

然而,真实的黑洞到底长什么样?4月10日,事件视界望远镜(EHT)国际合作组织在全球六地同步召开新闻发布会,宣布他们已经捕获了首张黑洞照片。《天体物理学杂志通信》以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大成果。

黑洞,只是说说而已?

黑洞并不是一个什么新鲜词儿。在理论上,他是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分为恒星级质量黑洞(几十倍~上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)三类。

证明黑洞的存在天文学家孜孜不倦的追求,但受到观测手段的限制,直到上世纪60年代,科学家对黑洞都还只能是“说说而已”。

“很久之后人类才意识到,原来可以通过技术的革新,在宇宙中搜寻这个黑洞。”中国科学院上海天文台台长沈志强说。

但这一过程并不顺利。

由于黑洞是一个完全黑暗的天体,在一定范围内,就连光线都无法从中逃脱。此外,由于黑洞距离地球非常遥远,以往的天文观测设备想要看到黑洞,可以说是“心”有余,而分辨率不足。

因此,天文学家只能通过寻找一些间接证据来证明黑洞的存在,比如观察周围恒星运动、吸积盘、喷流乃至引力波等等。

好奇的人类怎会止步于此?近年来,他们开始着手于一个宏伟的计划。

跟地球一样大的望远镜

为了能“看到”黑洞,全球200多名科学家组成了EHT合作组。2017年4月,他们挑选了世界上多个海拔最高、位置最为偏僻的射电天文台,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点共计6个地区8个台站,打算以一种爱因斯坦从未想过的办法观测黑洞。

“黑洞的观测要求非常高,而地球受到大气层的保护,很多电磁波无法穿透大气,只有在海拔三四千米的山上,才有可能观测到这些信号。”沈志强告诉《中国科学报》记者。

地址选定后,科研人员使用了甚长基线干涉测量技术使世界各地的射电望远镜实现组网,并进行同步观测,同时利用地球自转,组成了了一个口径如地球大小、观测波段是 1.3 毫米的虚拟望远镜,其精度,足以让一个人在巴黎的咖啡馆阅读纽约的一张报纸。

“这些望远镜并没有实际连接起来。”中科院上海天文台研究员路如森说,“它们之间是借助氢原子钟进行精确计时,实现了数据记录的同步。所有的数据被汇总起来之后,科学家利用新型的计算工具,最终生成了黑洞的图像。”

真身现身

这个巨大的望远镜所达到的灵敏度和分辨率是前所未有的,在这只“大眼睛”的帮助下,科学家终于见到了黑洞的“真身”。

这张图片揭示了室女座星系团中超大质量星系 M87中心的黑洞,这个黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

这也是人类距离黑洞最近的一次。整张照片所获取的图像,仅仅有黑洞事件视界尺寸的2.5倍。相比之下,人类以前的一些模糊的观测结果只能说距离黑洞还有“十万八千里”。

“我们捕获到了黑洞的首张照片。”EHT 项目主任谢泼德·多尔曼说,“这是一项由 200 多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。”

最为重要的是,这张照片使得爱因斯坦的广义相对论得到了首次试验验证。科研人员进行了多次独立的 EHT 观测,通过了多个校准以及不同的成像方法,均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域,即黑洞阴影,而这也正是爱因斯坦所预言的。

“爱因斯坦是对的,他的广义相对论经受住了考验,我们对黑洞的理解,也是正确的。”沈志强说,“这是一个值得被历史铭记的时刻。”

中国贡献

在中科院国家天文台副台长薛随建看来,此次合作为中国机制性地参与国际合作组织并逐渐发挥越来越重要的作用,做出了良好的示范。

中国科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究,EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。在此次合作中,中国科学家在早期国际合作的推动、望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面做出了自己的贡献。

此次的成果受到了中科院天文大科学研究中心的支持,该中心由中国国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立,是EHT一个合作机构的成员。

而在200多名科研人员中,来自中国大陆的学者有16人,分别来自中科院上海天文台8人,中科院云南天文台1人,中科院高能物理研究所1人,南京大学2人,北京大学2人,中国科学技术大学1人,华中科技大学1人。另外,还有部分来自中国台湾地区的学者。

“我很早就与中国科学家合作研究黑洞,很高兴我们能一起庆祝今天的进展。”EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克说,“在天文学、射电天文学、太空天体物理等领域,中国在这个全球项目中做出了非常重要的贡献。”

“对M87中心黑洞的顺利成像绝不会是EHT国际合作的终点站。”沈志强最后说,“我们期望也相信,在不久的将来,EHT会有更多令人兴奋的结果。”

相关论文:
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0ec7
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0c96
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0c57
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0e85
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0f43
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab1141



 楼主| 发表于 2019-4-11 11:59 | 显示全部楼层
黑洞“真身”现身,中国科学家做出了什么贡献

作者:丁佳 来源:科学网 发布时间:2019/4/10 21:41:49
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/4/425039.shtm

系统要审核,内容发不上来,改成图吧。


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 楼主| 发表于 2019-4-12 13:37 | 显示全部楼层
首张黑洞图像,没有回答三大问题

科学网 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/4/425140.shtm
作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2019/4/12



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左图 钱德拉X射线望远镜与事件视界望远镜同时拍摄的照片,显示了M87星系中心黑洞的“相对论性喷流”。
右图 事件视界望远镜拍摄的M87星系中心黑洞图像。
图片来源:美国趣味科学网站

本报记者 刘 霞

4月10日,整个物理学界陷入一场集体狂欢中——位于全球各地的“事件视界望远镜”(EHT)拍摄的首张黑洞特写照片终于面世,这张照片是黑洞存在的直接证据,拉开了黑洞天文学新时代的序幕。

尽管如此,据美国趣味科学网站10日报道,英国埃默里大学黑洞研究专家艾琳·邦宁说,黑洞的故事远没有结束,狂欢之后,我们应该明白,有几个与黑洞有关的重要问题仍悬而未决。

黑洞巨大的热、快物质喷流如何产生?

中国科学院国家天文台研究员陆由俊对科技日报记者介绍说:“所有超大质量黑洞都能吞噬附近物质,吸收穿过黑洞事件视界的物质,并以接近光速的速度将其余物质喷射到太空中,天体物理学家称之为‘相对论性喷流’。”

比如,此次事件视界望远镜的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的喷射而声名显赫,它喷射的物质和辐射遍布整个太空。它的“相对论性喷流”如此庞大,以至于它们可以完全逃离周围的星系。

物理学家知道这种情况是如何发生的:在物质落入黑洞的引力井时,物质被加速到极快速度,然后其中一些物质“逃之夭夭”。但他们对这种情况发生的细节持不同意见,而最新“出炉”的这张图像及相关文件尚未提供任何详细信息。

邦宁说,要想弄清楚这些细节,需要将覆盖相当小范围的事件视界望远镜观测结果与更大的相对论性喷射图像结合在一起考虑。而且,她认为,随着位于银河系中心的超大质量黑洞的图像问世,我们可能会获得不少答案。因为银河系中心超大质量黑洞不像M87星系中心黑洞那样产生喷流,所以,比较两张图像可能会厘清一些问题。

广义相对论和量子力学如何统一?

每当物理学家聚在一起谈论一个真正令人激动的新发现时,可能都会有人说:这一新发现或许有助于解释“量子引力”。量子引力是物理学领域最大的未解之谜,是物理学江湖中的屠龙刀——得之可得天下。

陆由俊解释称,大约一个世纪以来,物理学家使用两套不同的规则来解释万事万物:他们用广义相对论来解释诸如引力这样的大事;用量子理论来解释非常小的事物。问题是,这两套规则难以统一。因为量子力学无法解释引力;而相对论无法解释量子行为。

那万有引力和量子理论彼此之间就真的“水火不容”吗?物理学家们可不这么想,他们希望未来有一天,创建出一个大一统理论,将这两者囊括其中,而这个未问世的大一统理论可能涉及某种量子引力。

在首张黑洞图像宣布之前,有科学家猜测,它可能会在此问题上取得些许突破。

但邦宁对此持不同意见。她解释说,新图像没有提供可能缩小两个领域之间差距的新物理学。

但她同时表示,人们希望从新图像中获得答案这一想法合情合理,因为黑洞阴影的边缘将引力带入微小的量子空间。

她说:“我们有望在非常非常接近事件视界的地方,或者在宇宙非常非常早期之时,看到量子引力。”

霍金的理论和爱因斯坦的理论一样正确吗?

据陆由俊介绍,在物理学家职业生涯的早期,斯蒂芬·霍金对物理学的最大贡献是“霍金辐射”理论。该理论认为,黑洞实际上不是黑色的,随着时间的推移,它会发出少量辐射。这一点非常重要,因为它表明,一旦黑洞停止生长,它将开始因为能量损失而非常缓慢地收缩。

邦宁说,事件视界望远镜没有证实或否认这一理论。

她说,像M87星系中心黑洞那样的巨型黑洞,与其庞大的体型相比,其发出的霍金辐射可谓“九牛一毛”。虽然我们目前所拥有的最先进的设备可以探测到这些黑洞事件视界的明亮光线,但几乎无法看清超大质量黑洞表面的超暗闪光,因此,也很难发现其辐射。

她说,最微小的黑洞可能是获得这一答案的关键。这些最微小黑洞是一些“短命”的天体,其体型小到你可将其整个事件视界握在手中。而且,与这种微小黑洞的体型相比,其辐射相对较多。

邦宁认为,人类最终有可能会弄清楚如何制造或找到一个这样的黑洞并且检测到其辐射,从而验证霍金理论的正确性。

黑洞恍如一位遁世的隐者,身上背负着诸多有关宇宙的奥秘,在对其惊鸿一瞥后,对其进行深入研究,将揭示更多秘密,让我们更好地了解宇宙、了解我们自身。


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