人类首张黑洞照片把大家带入了一个新的世界，于是人们就会问：人类首张黑洞照片是什么样子的呢？人类首张黑洞照片怎么拍的？为什么黑洞照片要“冲洗”两年？人类首张黑洞照片为什么这么模糊？下面就为大家介绍一下这个不为大家所知的“黑洞”世界。 人类首张黑洞照片 黑洞是什么？ 在说关于黑洞照片之前，我们要了解什么是黑洞，黑洞到底有什么“魅力”，让科学家们“魂牵梦绕”呢？ 黑洞就是中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小，热量无限大的奇点和周围一部分空空如也的天区。它只允许外部物质和辐射进入， 而不允许其中的物质和辐射脱离其边界。即使是光也无法逃脱黑洞的引力，因此，人们只能通过引力作用来确定它的存在，所以叫做黑洞，也叫坍缩星。  人类首张黑洞照片怎么拍的？ 我们都知道，北京时间2019年4月10日晚，人类历史上首张黑洞照片“冲洗”完成，这张照片是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片，质量为太阳的65亿倍。这张酷似发光甜甜圈的照片一经公布，引来全球惊叹，原来传说中的黑洞就是这个样子，黑洞连光都能吸进去，也就意味着黑洞周围连时光都能扭曲，那么，你们知道人类首张黑洞照片怎么拍的？ 聪明的天文学家们把地球上现有的一些望远镜“组合”起来，就能够形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。 于是，全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”(EHT)这一重大国际合作计划，决定利用甚长基线干涉测量技术。 最终，科学家们选定了来自全球多地的包括南极望远镜等8个亚毫米射电望远镜。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。” 第一步，选定目标 在组建大型虚拟望远镜的同时，科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。 黑洞剪影和周围环绕的新月般光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞照片，必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。 科学家们甄选了一圈之后，决定将近邻的两个黑洞作为主要目标：一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。 由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也意味着质量越大，其事件视界越大。选定的这两个黑洞质量都超级大，它们的事件视界在地球上看起来也是最大的，可以说是目前最优的成像候选体。 尽管如此被选择的两个黑洞已是最优成像候选体，但要清晰为它拍照，难度还是极其大。 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。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中心黑洞的质量更为巨大，达到了60亿个太阳质量。 尽管M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的事件视界对科学家们而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至还要稍微大那么一点儿。 第二步，调试相机 要想看清楚两个黑洞事件视界的细节，事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。 要多高呢？要比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。但也别以为，只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。 实际情况并没那么简单!如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，能够在合适的波段进行观测至关重要。 因为气体在这个波段的辐射最明亮，而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。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。 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。 这样设置是为了要保证所有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。  8个望远镜分布区域 第三步，正式拍摄 8个望远镜北至西班牙，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。 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。 除了观测时间上的限制，拍摄对天气条件要求也极为苛刻。 “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，这意味着降水会干扰观测。” 中国科学院上海天文台研究员沈志强说，“要想视界面望远镜顺利观测，需要所有望远镜所在地的天气情况都非常好。” 按照要求，计划选择的8个望远镜所在之处均是位于海拔较高，降雨量极少，全部晴天的概率非常高。此外，要成像成功还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。 北京时间2017年4月4日，事件视界望远镜启动拍摄，将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。 观测期间，每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号，这些数据然后被集成用于获得事件视界的图像。  人类首张黑洞照片后期处理 为什么这张“简单”且“模糊”的照片“冲洗”了两年之久？ 首先，望远镜观测到的数据量非常庞大。2017年，望远镜的数据量达到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵兰岛望远镜，数据量继续增加。庞大的数据量使处理的难度不断加大。 其次，在数据处理的过程当中，科学家也遭遇了不少技术难题——黑洞附近的气体处于一种极端环境当中，其运动有着非常多的不确定性——为了解决这些问题，科学家们还专门开发了特定的程序和工具。 再次，为了保证结果的准确性，在最终数据处理的时候，严谨的科学家们在两个不同的地方分别处理、分别验证。全世界范围内设立了两个数据中心，一个是位于美国的麻省理工学院，另外一个是位于德国的马普射电所。二者彼此独立地处理数据，也彼此验证和校对，保证了最终结果准确可靠。  黑洞想象图 为什么直到今天我们才“看”到黑洞的照片？ 黑洞研究历时已久，4年前引力波已经让我们“听”到了来自黑洞合并的声音，为什么直到今天我们才“看”到黑洞的照片？ 简单地说是因为黑洞区域实在太小了——而之前望远镜角分辨率或者放大倍数不够，在过去几年中，我们才真正实现了能够看到黑洞附近区域的分辨能力。 其实，早在2017年进行全球联网观测之前，全球很多科学家已经为此努力了十多年的时间，并且利用望远镜阵列当中的几个进行了联网尝试，探测了银河系黑洞附近的区域，结果确实在亚毫米波段探测到了周围的一些辐射，这给了团队很大的信心。 在此之前，尽管科学家们已经掌握了很多证明黑洞确实存在的电磁观测数据，但是这些证据都是间接的——少数科学家会提出一些怪异的理论来作为黑洞的替代物，因为我们并没有直接观测到黑洞的模样。 2016年探测到的双黑洞合并产生的引力波，更是让人们愈加相信黑洞的存在。但引力波是类似于声波的“听”的方式，而电磁方式是一种“看”的方式，对于更倾向于“眼见为实”“有图有真相”的人类而言，以直观的电磁方式探测到黑洞还是非常让人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探测到之后，视界面望远镜并没有放弃观测，反而以全球联网的方式，把这一探测技术推向了极致。  银河系中心黑洞想象图 黑洞照片为什么有点模糊？ 湖南师范大学物理与电子科学学院陈松柏教授介绍说，模糊的原因有：望远镜的分辨率、星际气体的消光效应等。 另外，照片中黑洞周围光的颜色是科学家根据光的强度分布添加上去的。由于多普勒效应，远离我们运动的物质发的光亮度偏暗，向我们运动的物质发的光偏亮。正如火车向我们驶来时其汽笛声的声调变高，而离开时其声调变低。因此，由此可以判断黑洞周围物质绕黑洞的运动方向。 银河系中心黑洞周围气体的活动没有 M87 的强，产生的射电电磁波没有 M87 的强，从而影响了它的成像，此外，银河系的星际气体的消光效应也比较强。 “由于黑洞阴影的精细结构没有拍出来，因而尽管可以初步估测出黑洞的一些参数（如质量和旋转参数）和爱因斯坦的广义相对论预测的一致，但为其它引力理论留下了一些存在的空间。”陈松柏表示，黑洞照片主要价值在于拍到黑洞视界的形状和大小，进而可以判断确定黑洞的参数（如旋转参数、质量）以及黑洞周围的磁场等，可以揭秘黑洞从吸积盘吞噬物质的过程以及黑洞喷流的直观图像，还可帮助我们鉴别不同的引力理论，加深对宇宙的起源、演化及其加速膨胀等问题的理解，有助于人们揭开宇宙起源这一谜团。  黑洞正在吸附其他天体想象图 人类首张黑洞照片有什么意义？ 1. 对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的，给黑洞拍照最主要的目的就是在强引力场下验证广义相对论，看看观测结果是否与理论预言一致。 2. 有助于理解黑洞是如何“吃东西”的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域，这里的信息尤为关键，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，就能更好地重构这个物理过程。 3. 有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。对黑洞暗影的拍摄，就能助天文学家一臂之力。  电影星际穿越中的黑洞 黑洞真的可以穿越时空吗？ 星际穿越这部电影很多人都看过吧，这是一部讲述人类穿越的电影男主在一次意外之中掉入到了黑洞里面，但是最终却逃了出来。既然黑洞真的存在，那黑洞真的能穿越时空去往未来或者是回到过去吗？ 霍金表示人掉进黑洞中后，黑洞内部会发生时空扭曲，然后人类会被刀带到另一个世界去生活，原来黑洞不只会吸收一些物质，还可以穿越时空。黑洞也是天体的一种，只不过是已经死亡了的天体，黑洞的由于它的体积过大，这也就使得黑洞的引力相对来说也比较的大，所以靠近黑洞的一切都会被黑洞所吸引，这也就是为什么黑洞被人类觉得恐怖的原因之一。因为黑洞有着强大的引力，如果人类靠近黑洞边缘的话，只有一种可能，那就是会非常大的引力所吸引，然后被牵扯最终会被撕碎成粒子，然后掉入黑洞中想要出来，那是根本就不存在的事情。 而从另一方面来说，黑洞之所以能够扭曲时空，就是因为黑洞附近的速度和光速是一样的，这也就感觉黑洞像是静止的一样，所以在黑洞周围的物体看起来都会非常的慢，比如在电影中，靠近黑洞的一小时就相当于地球上的7年，所以如果要靠近黑洞的话，似乎像是永远停留在了黑洞的事件视界的边缘一样。可能在黑洞附近你停留几秒钟，可能在地球上就会是几百年甚至几千年的时间，这就是为什么很多科学家觉得靠近黑洞之后会实现穿越的原因。 但是，以目前的科技发展水平，人类连靠近黑洞都非常的难，更别说星际穿越了。 延伸阅读： 为什么太空没有氧气_陨石为什么能燃烧？ 为什么用猴子作为太空实验动物？ 为什么星星的位置会变化_星星的位置如何改变？ 彗星为什么会有尾巴_彗星为什么叫扫把星？ 火星为什么是红色的？ |
