为啥黑洞距离近了,拍照反而难了

  银河系中心黑洞距离地球有2.7万光年之遥,它的大小从地球上看去与从地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要给它成像,就必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而才能确保“看得到”“看得清”。

  路如森 中国科学院上海天文台研究员

  继2019年人类首张黑洞照片发布后,又一黑洞的“真容”被拍摄到!北京时间5月12日,中国科学院上海天文台公布了银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片。全球其他5个城市(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国台北、日本东京、美国华盛顿)也都与上海同步公布了这张令天文学家兴奋的照片。

  这张黑洞照片是由事件视界望远镜(EHT)合作组织,通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成,它的发布给出了银河系中心人马座A*就是黑洞的实证,为理解这种被普遍认为居于大多数星系中心的“巨兽”提供了宝贵的线索。

  “组合”全球射电望远镜为黑洞拍照

  因为黑洞不发光,所以我们看不见黑洞自身,但绕转黑洞的发光气体给出了其存在的信号。

  广义相对论预言,黑洞存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,看起来就像一片阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的、如新月状的光环。

  “完成对黑洞的成像,将为证明黑洞的存在提供直接的视觉证据。”中国科学院上海天文台研究员路如森表示,银河系中心黑洞距离地球有2.7万光年之遥,它的大小从地球上看去与从地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要给它成像,就必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而才能确保“看得到”“看得清”。

  想要达到上述要求,望远镜的口径就需要达到地球直径的长度。然而,目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米。没有地球那么大的望远镜,如何才能给黑洞拍张合格的照片?天文学家想到了一个好办法——强强联合。EHT合作组织将分布在全球6个地理位置的8个射电望远镜“组合”起来,形成一个犹如地球那么大的“虚拟”望远镜,它的灵敏度和分辨力都是前所未有的。

  2017年,这8个北至西班牙,南至南极的望远镜向选定的目标撒出一张“大网”,“捞”回海量数据,为我们勾勒出黑洞的模样。但留给科学家的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间。

  除了观测时间上的限制,拍摄黑洞对天气条件的要求也极为苛刻。“因为大气中的水对这一观测波段的影响极大,水会影响射电波的强度,这就意味着降水会干扰观测。”中国科学院上海天文台台长、研究员沈志强说。

  因此这8个望远镜所在之处均位于海拔较高、降雨量极少、晴天概率非常高的地区。

  此外,要成功成像还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。观测期间,每一个射电望远镜都收集并记录来自目标黑洞附近的射电波信号,这些数据被集成用于获得事件视界的图像。沈志强说:“为了确保信号的稳定性,EHT利用原子钟来确保其收集并记录的信号在时间上的同步。”

  为银心黑洞提供首个直接视觉证据

  科学家之前已观测到众多恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的、质量极大的天体作轨道运动。这已强烈暗示这个被称作人马座A*的天体是一个黑洞,而这次发布的照片则提供了首个直接的视觉观测证据。

  2019年,人类发布的第一张黑洞照片,捕获的是更遥远星系M87的中心黑洞M87*。尽管M87*比银河系中心的黑洞人马座A*大了1500多倍,也重了1500多倍,但两个黑洞看起来格外相似。

  “它们来自两种不同类型的星系,且具有极不相同的黑洞质量,但当我们聚焦在这两个黑洞的边缘时,它们看起来又神奇地相似。”来自荷兰阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席萨拉·马尔科夫教授说:“这告诉我们,靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配,我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的。”

  尽管人马座A*离地球更近,但是为其拍摄照片却比M87*艰难得多。来自美国斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的科学家Chi-kwan Chan解释道:“周围气体均以几乎接近光速的速度绕着人马座A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周的时间,但对于小很多的人马座A*来说,几分钟内气体即可绕转一周。这意味着在EHT观测人马座A*时,该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。给人马座A*拍照有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。”

  这项成果的实现,集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员的奇思妙想。除了开发复杂的工具来克服人马座A*成像面临的挑战外,EHT合作组织还花了5年时间,用超级计算机合成和分析数据,编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。

  未来EHT将拍一部黑洞“电影”

  “现在我们能就这两个超大质量黑洞的差异展开研究。”来自天文与天体物理研究所的科学家Keiichi Asada表示,“利用已有的两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片,我们将可以进一步检验极端环境下的引力。”

  人马座A*的照片是由2017年EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作而成的。在此后的2018年、2020年和2021年,EHT合作组织并未停止观测研究的脚步。而且,EHT的台站数量还在不断增加,在2018年新增加了包括格陵兰望远镜在内的3个新的台站,观测阵覆盖范围进一步扩大。

  在未来的计划里,更多的望远镜将被用来扩展EHT观测阵,譬如已经建成的欧文斯山谷射电天文台和即将建造的非洲毫米波望远镜。除了望远镜数量的增加,从2023年开始,EHT将进行0.87毫米波段的观测,相比于相同情况下的1.3毫米波段的观测,分辨率提升了近50%。而人马座A*和M87*仍是EHT合作组织最重要的科学观测目标,天文学家正在探究它们是如何随时间变化的,并对其周围磁场展开研究。

  EHT数量的持续扩展和技术革新将使得科学家可以分享更多引人注目的天文照片,甚至是黑洞“电影”。“运用下一代EHT拍摄这样一部银河系中心黑洞的‘电影’,是天文学家的追求。”沈志强说,“我们正在规划建设中国的亚毫米波VLBI望远镜,以期参与到对人马座A*的24小时不间断的接力观测中。”

  我国科学家长期关注高分辨率黑洞成像研究。此次的EHT合作中,我国科学家积极参与了早期EHT国际合作的共同推动、EHT观测时间的共同申请、夏威夷麦克斯韦望远镜的观测运行,以及后期数据处理分析等。

  沈志强说:“我们还将把望远镜对准其他目标源,制作更多‘甜甜圈’。因为其他‘甜甜圈’更迷你,所以需要更高的角分辨率,建设空间望远镜或可以实现这一目标。”

  来源:科技日报

科学巧衔接 协同共育人——幼小衔接小讲堂之社会准备篇
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《霸总求偶记》(三)

赶脚自己刚刚经历了濒死体验滴霸总萧,被管家女士和秘书先生扶着上鸟直升机。

而同样觉着自己去鬼门关走了一遭,并且可能还要走上一遭又一遭的,哭得快晕过去滴王亦博,也被保镖队长副队长,几个手下绑得严严实实拎上鸟另一架直升机。

两架直升机迅速往霸总萧在S城滴,占地25000平方米滴大城堡飞去。

城堡内,霸总萧滴年薪一个亿的私人医生在接到秘书先生滴电话,告知他霸总萧突然心脏不苏胡,即将回城堡时,简直惊喜得要发狂。

他迅速召集24个手下,把这个惊天喜讯通知他们。

于是,250亿只草泥蝶围绕着250万棵草泥椰椰树疯狂起舞鸟。

神明保佑啊!医生在心底呐喊:这位伟大强大滴霸总萧先生,他他他,他终于生病鸟啊!

自从医生进入这座城堡以来,这么多年霸总萧从未生病,连感冒都木有过一次。

医生以及整个团队于是战战兢兢,成天忧虑这份年薪一个亿滴工作会随时失去。

医生他虽然木有霸总萧那样高达250的智商,只有249,但也绝对必须相当不低了。

他英明神武地命令所有人每天必须向神明祈祷250遍,让这个伟大强大滴霸总萧先生,让他生一次病吧嘤嘤嘤。

现在!一定是天上滴神明感受到鸟整个团队滴虔诚!终于把疾病降给了霸总萧辣!

医生双手握拳兴奋不已,其他24个人个个双眼闪闪发光,仰望他们英明神武滴老大。

年薪一个亿滴工作,保住了啊!

医生立刻喜悦又严肃地吩咐:“所有人把全部检查仪器打开,待命!”

在城堡里存放各种全地球最尖端医疗检查仪器的大楼顶上,两架直升机降落。

霸总萧走下飞机,一眼就看到了整整齐齐列队滴医生团队,他满意地点点头。

经过一路飞行,霸总萧已经从在办公室里看见王亦博滴luo体后,那种濒死滴状态里挣扎出来鸟。

医生鹰一般滴眼瞬间就把霸总萧全身扫了一遍,内心嘀咕:看上去,总裁似乎还好?所以?

然而紧追上来滴管家女士和秘书先生一开口奏让医生大喜过望接着惊掉下巴:“医生,准备好了吗?”

“立刻给总裁做全身检查。总裁刚刚被一个杀手袭击辣。”

还没容被震得全身发麻滴医生答话,霸总萧已经大踏步往电梯口走去。

医生只看到后面那架直升机上下来几个保镖,凶巴巴推搡着一个男孩子。气氛十分紧张。

男孩被他们五花大绑,嘴被堵住,身上白制服乱糟糟包裹。

他的脸漂亮脆弱得如白瓷花瓶,泪水汹涌,似暴雨凋海棠。

整个医生团队滴人面面相觑:那男孩子是杀……杀手?

氮素明明看上去他更像是被霸总萧凶神恶煞滴保镖绑架了的,无比凄惨弱小,可怜无助滴美丽小天使鸭。

氮素当然必须木有人敢出声。所有人紧随霸总萧滴脚步,最终抵达了一楼滴医生办公室。

早已接到通知滴城堡内的250名保镖迅即围住了整栋大楼,并派出人手配合一起暂时接管关押王亦博。

霸总萧坐在沙发里,面无表情扫过从他眼前晃过去滴一众保镖。

蓦然,他滴眼神对上了被保镖们往外拖滴王亦博的眼睛。

男孩子纤瘦滴身子在极度恐慌中无力挣扎,拼命扬起那张如海棠凋于暴雨滴美丽小脸,向着霸总萧的方向呜呜咽咽地似乞求似哭诉。

就在这一刹那,霸总萧又整个人都不好了!心率狂飙,热血上涌。

心脏痛,头痛,眼睛痛,浑身上下哪哪都它爹的痛!

他愤怒低吼出声:“废物!还不快点把这个杀手给我拖粗去!”

保镖们个个浑身一颤,立马化身大力水手,连拖带拽把凄凄惨惨滴小天使王亦博给弄出去了。

管家女士,秘书先生一眼见霸总萧脸色惨白,左手捂头,右手捂心,吓得直往他身边滚。

“总裁你肿么样辣?请马上去做检查叭!”

只有站立一旁把所有细节都看在眼里滴医生,总觉得这个所谓霸总萧被杀手袭击致病滴事件,处处透着诡异。

氮素此时霸总萧突然如此痛苦,显然容不得再做拖延。

于是24名医护人员在医生滴号令下,引领霸总萧去了一间又一间存放全地球最尖端医疗检查设备滴房间。

而管家女士和秘书先生则忧心如焚地向医生讲述霸总萧整个被杀手袭击和发滴的过程。

连一根头发丝的细节都不敢遗漏。甚至尽职尽责到连霸总萧某个难以启齿滴部位受到杀手攻击后滴反应,他们也如实描述了。

就怕遗漏了任何细节,导致医生不能对霸总萧滴伤情做粗正确判断。

“总裁在最短滴时间内,奏做出了最准确滴判断。”

“那个男孩,是个危险滴杀手!”管家女士严肃地说。

“总裁在面临着生死存亡之时,依旧毫不畏惧,决定先搜查那个杀手全身。”

“可惜这个杀手段位太高辣,完全木有搜到总裁所说滴秘密装置。”

秘书先生想到在杀手决定垂死一搏时,霸总萧那生死奏在一线间滴危险,仍心有余悸。

而听完了俩人全部叙述的智商249滴医生,此刻已经是三观跟五官统统它爹地一起扭曲了。

他听到管家女士和秘书先生慌乱询问:“医生!总裁他滴伤情,很严重?”

他不答。他在咆哮:这确定不是坑爹吗?这确定不是坑爹吗?这确定不是坑爹吗?

他尊的不是穿越到一本科幻小说里了吗?他尊的不是穿越到一本科幻小说里了吗?他尊的不是穿越到一本科幻小说里了吗?


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