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        全球首張黑洞“全景照”拍攝過程揭秘

        王 春 發(fā)布時間:2023-05-08 09:04:00來源: 科技日報

          ◎盧力媛 本報記者 王 春

          近期,一個由中國科學(xué)院上海天文臺牽頭的國際團(tuán)隊(duì)利用全球16個觀測臺站開展了對M87星系中心的聯(lián)合成像研究,并在全新的頻段給M87黑洞及其周圍的環(huán)境拍攝了“全景照”。這標(biāo)志著天文學(xué)家朝著對黑洞進(jìn)行“多彩成像”的目標(biāo)邁出了重要一步。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

          科學(xué)家為什么要給黑洞拍照?黑洞的照片又是如何拍出來的?讓我們一起來探秘這張黑洞“全景照”的拍攝過程。

          “全景照”或有助破解黑洞謎團(tuán)

          對于黑洞的研究可以讓我們深入了解空間和時間的本質(zhì),對近鄰超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像研究是當(dāng)前天文研究的國際前沿?zé)狳c(diǎn)。

          此前,天文學(xué)家已經(jīng)通過事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)分別于2019年和2022年對位于M87星系中心和人類所居的銀河系中心的兩個超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了成像。

          M87黑洞重約65億倍太陽質(zhì)量,是目前宇宙中已知質(zhì)量最大的黑洞之一,而且距離地球僅有5500萬光年,是非常適合拍照研究的對象。此外,M87星系有著明亮的、長達(dá)5000光年的噴流,M87黑洞正是該噴流的源頭。

          1918年,美國天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87星系的噴流,這也是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流??茖W(xué)家認(rèn)為,黑洞不僅在“吃”(吸積物質(zhì)),同時也在“吐”(外流)。如果“吐”出的物質(zhì)速度快、方向性好,自然就形成了人類所能觀測到的噴流。但是,科學(xué)家至今也沒能非常明確地解釋黑洞與噴流的關(guān)系,因此就需要通過觀測來解開這個謎團(tuán)。

          2017年,EHT合作組織成功拍攝到了M87黑洞的照片。這張照片也是人類歷史上的首張黑洞照片。照片顯示M87黑洞長得像個“甜甜圈”,外面一圈亮環(huán),圍繞著中間的陰影。由于EHT的視場比較小,只能拍攝到黑洞的“特寫照”,因此離黑洞稍遠(yuǎn)一些的噴流便沒能進(jìn)入這張照片。

          如果能把黑洞和周圍的環(huán)境都拍在同一張照片里,就可以幫助我們理解黑洞附近的環(huán)境,觀察黑洞周圍的物質(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)黑洞或被噴出的,進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系。

          為了解決照片中黑洞與周圍環(huán)境“失聯(lián)”的問題,中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的、17個國家和地區(qū)的64家研究機(jī)構(gòu)的121位科研人員參與的國際研究團(tuán)隊(duì),決定給黑洞拍攝一張“全景照”。

          三大望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段下聯(lián)合“拍攝”

          相較于EHT所拍的“特寫照”,要拍黑洞的“全景照”必須要加大視場,并且分辨率也不能太低。研究團(tuán)隊(duì)想到了兩種方案,在1.3毫米波段上嘗試拍攝包括噴流在內(nèi)的黑洞照片,或者索性切換到3.5毫米波段拍攝,但此前科學(xué)家普遍認(rèn)為,用地球上的望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段觀測不會看到黑洞“甜甜圈”?!爱?dāng)焦距拉長,視場就會變小,所以在1.3毫米波段,噴流等黑洞周圍環(huán)境很難同時被觀測到?!甭啡缟f。研究團(tuán)隊(duì)最終選擇了在3.5毫米波段下給黑洞拍照,因?yàn)樵?.5毫米波段下噴流顯示更亮。

          由于降低了觀測波段,更多望遠(yuǎn)鏡加入了此次黑洞“全景照”的拍攝過程。新照片拍攝于2018年4月14日至15日,由14臺望遠(yuǎn)鏡組成的全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)、阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡(GLT)連在一起,組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。

          路如森強(qiáng)調(diào),阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡的加入提高了這個洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度,使得在3.5毫米波長下對M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像成為可能。

          由于這是一張視場很大的圖像,里面包含了許多成分,且這些成分的亮度差異很大,“洗照片”時科學(xué)家遇到了許多意外。陣列中的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡還是一臺新的望遠(yuǎn)鏡,參與觀測時還在調(diào)試階段,其基于波導(dǎo)的相位旋轉(zhuǎn)器被錯誤地配置,幸好科學(xué)家及時發(fā)現(xiàn)了這一問題,在數(shù)據(jù)處理時開發(fā)了特別的算法解決了這個問題。

          通過匯聚全球各地的許多合作者的經(jīng)驗(yàn),在經(jīng)歷了長達(dá)5年的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和成圖過程,以及反復(fù)驗(yàn)證和確認(rèn)結(jié)果后,這張史無前例的黑洞“全景照”終于呈現(xiàn)在世人面前。

          研究團(tuán)隊(duì)成功將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。M87黑洞在3.5毫米波段的圖像中也呈現(xiàn)“甜甜圈”形態(tài),比此前EHT合作組織觀測到的“甜甜圈”大了近50%,并且照片中可以看到從“甜甜圈”向遠(yuǎn)處延展的“尾巴”,這就是黑洞的噴流。

          下一步,科學(xué)家還打算拍攝“彩色黑洞”甚至“黑洞電影”來進(jìn)一步觀測和研究黑洞。

        (責(zé)編: 王東)

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