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5G、AI、人工智能 admin 2019-04-11 288 次浏览 0个评论
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来历:腾讯科技 作者:乔辉

北京时间4月10日21点整,天文学家举行全球新闻发布会,宣告初次直接摄影到黑洞的相片。这张相片来之不易,为了得到这张相片,天文学家动用了遍及全球的8个毫米/亚毫米波射电望远镜,油条组成了一个所谓的“事情视界望远镜”(Event Horizon Telescope,缩写EHT)。

从2017年4月5日起,这8座射电望远镜接连进行了数天的联合观测,随后又经过2年的数据剖析才让咱们一睹黑洞的真容。

这颗黑洞坐落代号为M87的星系傍边,间隔地球5300万光年之遥,质量适当于60亿颗太阳。

咱们在平常阅览科学新闻、科普书本以及观看科幻电影的时分,也常常能看到黑洞的姿态,但其实都是依据科学理论估测出来的,并非直接观测。2014年,由诺兰执导的科幻电影《星际穿越》中山忍大热,在这部影片中,光环笼罩下的超大质量黑洞——“卡冈图亚“(Gargantua)令人心生敬畏,这儿的黑洞形象是运用核算机模仿出来的。在闻名理论物理学家吉普?索恩的指导下,这儿的模仿现已十分挨近实在了,但毕竟仍是模仿,这次是玩真的了。

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图注:科幻电影《星际穿越》上钩算机模仿出的黑洞形象。

为什么能给不发光的黑洞摄影?

这些年,黑洞这个名词一再呈现在媒体报道中,想必很多人都现已对它有些了解。恒星级质量的黑洞是由大质量恒星演化到晚期中心发作引力坍缩而成。中等质量黑洞和大质量黑洞的构成的详细方法现在还没有结论:或许是由小黑洞兼并构成,也或许是由黑洞经过吞噬物质逐步构成,还或许是由很多气体物质直接坍缩构成。

黑洞给人形象最深化的形象便是吞噬全部,乃至光线。假如是孤零零的黑洞,咱们真的是没方法选用电磁波手法进行摄影了。

但一般都有物质盘绕在黑洞周围,组成一个盘状结构,叫“吸积盘”。吸积盘内的物质盘绕黑洞高速旋转,相互之间因为冲突而宣布火热的光辉,包含从无线电波到可见光、到X射线波段的接连辐射。吸积盘处于黑洞“视界”的外部,因而宣布的辐射能够逃逸到远处被咱们勘探到。

因而,咱们摄影到的不是黑洞自身,而是运用其鸿沟上的物质宣布的辐射勾勒出来的黑洞的概括,就像看皮影戏相同。

什么是黑洞的“事情视界”?

简略来讲,黑洞的事情视界(Event horizon)便是指盘绕黑洞的一个时空鸿沟,任何物质、乃至光线一旦跳过这个鸿沟,永久无法回来。但关于进入视界的物体来讲,其实感觉不到事情视界有什么奇特之处。除了事情视界,还有肯定视界和显视界之分,这儿咱们就不细说了。

咱们一般说的黑洞的巨细,其实便是指黑洞视界面的巨细。假如把太阳压缩成一个黑洞,养分早餐50例,人类发布史上首张黑洞相片,蒙城气候其视界半径仅3公里!假如把地球压缩成黑洞,其视界半径仅9毫米!没写错,是9毫米。

什么是“事情视界望远镜”?

文章开端咱们说到,天文学家为了观测黑洞视界边际上的物理进程,动用了散布在全球的8座毫米/亚毫米波射电望远镜,这些望远镜组成了一个虚拟的,口径挨近整个地球的望远镜,这座虚拟的望远镜,称为“事情视界望远镜”。

图注:散布在全球的8座毫米波亚毫米波射电望远镜虚拟出一个地球巨细的“事情视界望远镜”

从坐落西班牙的口径30米的毫米波望远镜(IRA金牌法医下堂妃M 30-meter telescope),到坐落夏威夷的两座射电望远镜,再到坐落南极洲的南极望远镜(Sout黑陨石炸鸡h Pole 超级演说家Telescope)等都参加了这场巨大的观测。这8座毫米/亚毫米波射电望远镜别离为:

坐落西班牙内华马德里竞技达山脉松田圣子的30米毫米波望远镜(IRAM 30m);

坐落美国亚利桑那州的海因里希?赫兹亚毫米波望远镜(SMT);

坐落墨西哥一座死火山顶部的大型毫米波望远镜(LMT);

坐落夏威夷的詹姆斯?克拉克?麦克斯韦望远镜(JCMT);

坐落夏威夷的亚毫米波阵(SMA);

坐落智利沙漠的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA);

坐落智利沙漠的阿塔卡马探路者试验望远镜(APEX;

坐落南极阿蒙森?斯科特观测站的南极望远镜(SPT);

图注:坐落于智利北部阿塔卡马沙漠中的大型毫米波阵列望远镜(ALMA),是世界上该波段观测才能最强的望远镜阵列。

在这8座射电望远镜傍边,要数阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)最为强壮!ALMA坐落智利北部的阿塔卡马沙漠中,海拔达5000米,那里终年干旱,为观测创造晰杰出的条件。现在,ALMA是由66架可移动的单体望远镜组成的干与阵列,望远镜之间经过光纤传递养分早餐50例,人类发布史上首张黑洞相片,蒙城气候信息。ALMA造价达14亿美元,是现在最为贵重的地基望远镜之一。假如没有ALMA的加盟,观测黑洞的视界简直是不能完结的使命。

“事情视界望远镜”的作业原理是什么?

这个地球巨细的虚拟望远镜运用的是一种叫“甚长基线干与丈量”(VLBI)的技能。它答运用多个天文望远镜一同观测一个天体,模仿一个巨细适当于望远镜之间最大间隔间隔的巨型望远镜的观测作用。为了弄理解这种原理,咱们要简略了解一下这种技能的前史头绪。

1962年,英国剑桥大学卡文迪许试验室的马丁?赖尔(Martin Ryle)运用基线干与的原理,创造晰归纳孔径射电望远镜,大大进步了射电望远镜的分辨率。其基本原理是:用相隔两地的两架射电望远镜接纳同一天体的无线电波,两束波进行干与,其等效分辨率最高能够等同于一架口径适当于两地之间间隔的单口径射电望远镜。赖尔因为此项创造取得1974年诺贝尔物理学奖。

图注:美国的甚大天线阵(VLA)。每个天线重230吨,架设在铁轨上,能够移动。

依据归纳孔径技能的射电望远镜以美国的甚大天线阵(Very Large Array,缩写为VLA)为代表,它是由27台25米口径的天线组成的射电望远镜阵列,坐落美国新墨西哥州的圣阿古斯丁平原上,海拔2124米,是世界上最大的归纳孔径射电望远镜。甚大天线阵每个天线重230吨,架设在铁轨上,能够移动,一切天线呈Y形摆放,每臂长21千米,组合成的最长基线可达36千米。甚大天线阵隶属于美国国家射电天文台(NRAO),于1981年建成,作业于6个波段,最高分辨率能够到达0.05角秒,与地上大型光学望远镜的分辨率适当。这座射电望远镜阵列还常常在影视剧中呈现,例如1997年,闻名的科幻电影《触摸复苏宇》中就有VLA的身影。

图注:科幻电影《触摸》的海报,布景是甚大天线阵。

甚长基线干与丈量原理相同,仅仅望远镜之间散布的愈加悠远,无法运用电缆或光缆衔接,而是把信号别离记录在各测站的贮存器上,不必公共的时钟,而是各测站有自己的时钟,一般选用精度十分高的原子钟,现在能够做到1亿年不会呈现1秒的差错。观测完毕后,再将观测站的贮存设备送到数据处理中心。运用这种方法,只要能一同看到源,理论上基线的长度就几乎不受束缚。当然,在地球上则受限于地球的标准。

为了打破地球标准的束缚,俄罗斯曾经在2011年向太空发射了一养分早餐50例,人类发布史上首张黑洞相片,蒙城气候架口径10米的射电望远镜(Spektr-R),与地球上的射电望远镜组成基线达35万公里的干与阵列,用于观测银河系内以及银河系之外的射电源。

图注:VLBA由10个抛物天线构成,横跨从夏威夷到圣科洛伊克斯8寿县000多千米的间隔。

现在,依据甚长基线干与原理最有名养分早餐50例,人类发布史上首张黑洞相片,蒙城气候的是美国的超长基线阵列(Very Long Baseline Array,缩写为VLBA),是由坐落美国新墨西哥州索科洛的美国国家射电天文台阵列操作中心遥控的射电望远镜阵列。VLBA由10个抛物天线构成,横跨从夏威夷到圣科洛伊克斯8000多千米的间隔,其精度是哈勃太空望远镜的500倍,是人眼的60万倍。

甚长基线干与观测的分辨率是其它任何望远镜所无法比拟的,在天文学的研讨方面,观测课题会集在射电喷流、黑洞、射电源演化、银养分早餐50例,人类发布史上首张黑洞相片,蒙城气候河系和河外星系微波脉泽源时空恋旅人、引力透镜、超新星遗址、近处和远处石家庄地铁的星暴星系、暗弱射电源特性以及在活动星系核中的中性氢吸收。最有显现度的观测效果是对超大质量黑洞候选体的观测研讨,这是因为黑洞的标准十分小。现在VLBA观测最成功的有3例,别离为银河系中心、椭圆星系M87和塞弗特星系NGC4258中的超大质量黑洞候选体。

甚长基线干与丈量技能不仅在天体物理,并且在天体丈量孙中山开国纪念银币、大体丈量等范畴都有着广泛的运用。

为什么不选用光学望远镜进行观测?

咱们知道,人眼能够看到的光线称为可见光,是电磁波谱的一部分,频率规模从430太赫兹到750太赫兹,相应的波长规模从400纳米到700纳米。

射电望远镜便是运用射电波进行观测的望远镜,射电波也是电磁波谱的一部分,频率规模从高频的300吉赫兹到低频的30赫兹,相应的波长规模从1毫米到10000公里。在自然界,从闪电到世界天体都会宣布射电波。

图注:黑洞周围一般会被厚厚的气体和尘土盘绕

因为星系中心的黑洞被厚养分早餐50例,人类发布史上首张黑洞相片,蒙城气候厚的星际尘土和气体阻挠,光学波段的望远镜力不从心,只能选用射电波段。毫米波现已是射电望远镜所用波长的下限,在电磁波谱上现已与红外线接壤。

望远镜的分辨率首要取决于两个参数,一个是所运用的波长,一个是口径的巨细:口径必定,波长越短分辨率越高;波长必定,口径越大分辨率越高。

为了能够观测到黑洞视界上的物质行为,事情视界望远镜现已把射电望远镜的分辨率进步到了史无前例的高度,到了10到20个微角秒的程度!这适当于看清4000公里外硬币上的发行日期。相比之下,人眼的分辨率大约为1角秒,哈勃望远镜的分辨率为0.05角秒,也便是说事情视界望远镜的分辨率是哈勃望远镜的数千倍。当然,尽管这台虚拟的望远镜分辨率惊人,但因为毕竟是由涣散很广的望远镜拼成,成像清晰度并不令人满意。

为什今天新闻么挑选银河系中心和M87星系中心的黑洞作为研讨目标?

据悉,在银河系内,人类已发现了20多颗恒星质量的黑洞,间隔咱们最近的3400多光年,但为什么不挑选这些相对较近的黑洞进行观测,而非要舍近求远挑选26000光年之外的银河系中心的黑洞和5300万光年之外的M五指山87星系中心的黑洞呢?这是因为这些恒星级黑洞的质量太小,直径相对也较小,因而从地球上看去,张角反而不如较远间隔的超大质量黑洞大。

图注:这是钱德拉X射线望远镜摄影到的银河系中心区域。图中符号有“SgrA星”的当地便是大黑洞地点的方位。

事情视界望远镜观测的两颗黑洞都是超大质量黑洞,银河系中心黑洞的质量适当于太阳质量的400万倍,视界直径约2400万公里,适当于17颗太阳接在一同;M87星系中心黑洞的质量适当于太阳质量的60亿倍,视界直径约360亿公里,约适当于6个冥王星到好听的英文网名太阳的间隔!两个如此巨大的世界怪物,为什么看起来仍是那么小?尽管黑洞巨大,但它们间隔地球相同悠远。银河系中心黑洞间隔地球约26000光年,M87中心黑洞间隔地球约5300万光年。在这样悠远间隔上,巨大的黑洞也是个点状物,因而要求望远镜有反常的分辨率。

图注:这是从前由核算机模仿生成的M87星系中心黑洞两种或许的姿态。

核算标明,看清银河系中心的黑洞,需求53微角秒的角分辨率,看清M87星系中心的黑洞,则需求22微角秒的角分辨率,都落在了事情视界望远镜的观测才能规模内。因而,银河系中心黑洞的视直径比M87星系中心黑洞的视直径要大一些。

图注:从M87星系中心宣布的喷流,喷流的长度可达5000光年。科学研讨标明,喷流是由中心巴黎世家官网旋转的大质量黑洞所驱动。

M87星系中心的黑洞处于十分活泼的状况,十分典型的一个特征是,从中心喷出近光速运动的喷流,喷流圣蜜空气宝的长度可达5000光年。科学研讨标明,喷流是由中心旋转的大质量黑洞所驱动。

给黑洞摄影的意图是什么?

经过对黑洞的直接观测,科学家期望能够在更强引力场环境下查验广义相对论,直接验证事情视界的存锦纶丝袜在,研讨黑洞边际上的吸积和喷流行为,以及根底的黑洞物理等。

图注:依据广义相对论模仿出的黑洞暗影(中),看起来比较圆,而其他引力理论给出了或扁(最左)或长(最右)的暗影。图中不对称性是因为黑洞旋转构成的。

咱们知道,爱因斯坦的广义相对论经过了一次次的查验,从星光经过太阳的偏折视点到太空中的引力透镜,从光线挣脱白矮星的引力束缚呈现的红移到水星的近日点反常进动,从雷达回波延迟到脉冲双星辐射引力波呈现的轨迹周期变短等等。但这些查验都还没有深化到像黑洞视界边际这样的更极点的引力环境中查验。因而,科学家运用事情视界望远镜经过对黑洞视界边际直接观测,看看广义相对论是否依然有用。

当然,自从2015年人类初次直接勘探到黑洞兼并宣布的引力波以来,现已勘探到了10对黑洞和1对中子星的磕碰,这些引力波带着的信息与广义相对论符合得也很好。咱们对广义相对论仍是十分有决心的。

广义相对论猜测,物质落入黑洞时宣布的部分光子会盘绕在黑洞边际,加上引力透镜效应,会构成一个亮堂的光环,勾勒出中心黑洞的概括,犹如黑洞的剪影。

黑洞概括的巨细和形状能够从广义相对论引力场方程核算出来,这取决于黑洞的质量和角动量。咱们一般说黑洞有“三根毛”,指的是质量、角动量和电东平气候预报荷,但电荷一般忽略不计。广义相对论预言,黑洞暗影的形状基本上呈圆形,但其他版别的引力理论却预言了略微不同的形状。因而,这次可经过直接观测来验证广义相对论。

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