各种角度看发光物质形成的黑洞吸积盘

黑洞“真相”图鉴:吉祥体育从手绘图到标准照,见证40年来技术变革

集全球多个天文台站与科学家之力,吉祥手机app人类终于看见了距地球5500万光年之外的黑洞“真相”。
从1979年第一张黑洞手绘稿问世,到2019年第一张黑洞照片发布,经历了整整40年。先进的探测技术和数据处理方法让人类印证了科学的想象与现实之间,原来可以如此接近。
像极了40年前的黑白手绘稿
首张黑洞照片于4月10日21时在中国上海和台北等全球六地同时发布。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞。该黑洞质量为太阳的65亿倍。照片乍看上去像不那么规则的甜甜圈,或火炉中的煤火。外圈是橙红色光晕,中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。
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“事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)拍摄到的这张黑洞图片,从任何角度来看,wellbet无论是形状还是颜色,都像极了1989年基于我的一张黑白手绘稿用计算机模拟出来的图片。”
4月11日,法国天体物理学家、现任法国国家科学研究中心(CNRS)主任、第一张黑洞模拟图撰稿人让-皮埃尔·卢米涅(Jean-Pierre Luminet)在看到首张黑洞照片后,向第一财经记者发来了这样一段话。
黑洞面纱被揭开,也印证了包括《星际穿越》等好莱坞科幻片中对黑洞的想象。
“人们惊讶于图片竟然与理论计算的模型如此一致,爱因斯坦目前来看再次被证明是对的。”参与EHT项目的英国伦敦大学学院尤尼斯(Ziri Younsi)博士说,这一图像与理论物理学家和好莱坞导演们所设想的黑洞相仿。他表示,“虽然黑洞是非常简单的物体,但是引发人类对宇宙和自然的思考是最为深层的,甚至关系到人类的终极存在。”
一百年前,爱因斯坦广义相对论提出后不久,便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代,詹姆士·巴尔蒂恩(James Bardeen)及卢米涅等人计算出了黑洞的图像。
卢米涅回忆道:“首张黑洞图的绘制工作要追溯到1972年,吉祥手机app当时在法国莱苏什(Les Houches)的夏季学校里,巴尔蒂恩研究分析了克尔黑洞(Kerr black hole),并计算出黑洞的自转如何影响事件视界投影的形状。他的结果是当黑洞自转接近角度峰值时,会形成一个D形状的阴影。”
卢米涅
卢米涅
1978年,当时还是巴黎默东(Paris Meudon)天文台一名年轻研究员的卢米涅开始着手绘制黑洞事件视界的第一幅“肖像”。他凭借自己的数学背景,使用一台上世纪60年代的IBM 7040穿孔计算机,首次模拟出黑洞的样子。
不过由于当时并没有先进的绘图软件,卢米涅决定赤手空拳绘制这幅超高难度的黑洞图。“我从电脑中导出数据文件,将坎森纸负片作为底片,用墨汁一点点涂上去,在模拟图像显示亮度高的地方密集地点上墨汁。”至今回忆起来,卢米涅仍然觉得这是一个费力的活。
他说道:“接下来,我再用一张负片将黑白进行反转,这样原来墨浓的地方就变白了,原来背景亮的地方就变黑了,最后形成了一张看上去并不对称、但符合科学的视觉化黑洞图像。”
1979年,这张手绘图终于诞生。
卢米涅手绘的首张展示黑洞事件视界的图像。
卢米涅手绘的首张展示黑洞事件视界的图像。
“超算”女博士立大功
但是今天,科学家再也不用像40年前的卢米涅一样费力地手工“洗照片”了。
从给黑洞“拍照”到“洗照”,整个过程都在计算机的大数据超性能计算处理中实现了,从望远镜收集数据,再将数据导出到移动硬盘,到关联比对、参数拟合到最终成像导出人们所看到的黑洞图,整个过程几乎全部由计算机处理。
“这在十年前是无法想象的,但是今天我们做到了。” 哈佛-史密松森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的谢泼德·多尔曼(Sheperd S. Doeleman)教授表示,“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”
尽管有超算帮忙,但计算过程仍然耗费了科学家们近两年的时间。最大的挑战在于,如何把重达半吨的巨量数据合成一张黑洞照片。
中科院上海天文台路如森研究员对第一财经记者表示:“这是一个汇聚了十几台站望远镜阵的项目,每台站又有很多个望远镜组成,几天内产生的观测数据相当于欧洲核子研究中心(CERN) 一年的数据量。对于这样一个复杂事件的出现,科学家会分成独立的工作组,每一个工作组会有不同的小组进行处理,参与数据处理,进行比对。”
据了解,由于各个望远镜观察到的数据量加起来足有3600TB,换算成电影大小要几百年才能看完,因此这些数据无法通过网络传送,就只能被存储在移动硬盘里直接运往美国波士顿和德国波恩的数据处理中心,并由麻省理工学院和马克斯-普朗克研究所(类似中科院的研究体系,下称“马普所”)等机构开发出全新的算法,加速数据分析。
为此,这个国际合作项目邀请了数据科学家参与,共同完成这项“洗照片”的任务。
其中一位名叫凯蒂·伯曼(Katie Bouman)的麻省理工学院女博士生所做的工作,对于整个项目的贡献引人注目。
伯曼收到大量来自世界各地望远镜发来的数据。
伯曼收到大量来自世界各地望远镜发来的数据。
年轻的伯曼带领了一支算法团队开发了一套新的计算方法。她的任务是把从世界各地收集来的硬盘数据转化成一行行的代码。这个工作让人联想到了1969年为阿波罗11号登月准备代码的女科学家玛格丽特·汉密尔顿。
EHT科学委员会主席、来自荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克(Heino Falcke)在布鲁塞尔的发布会上表示:“一箱一箱承载着黑洞照片的数据硬盘被送到美国麻省理工和波恩的马普所,处理这些数据需要大量的工作。”
伯曼提出了CHIRP的算法,通过干涉重建黑洞。她发明的算法最重要的贡献在于,利用多台望远镜的结果做互相关联从而抵消不同大气环境所导致的测量时间差,也就是所谓的“噪声”。
马普所博士后张渊皞曾参与引力波数据分析。他对第一财经记者解释说:“来自黑洞方向的无线电信号是相关的,但每台望远镜所在位置产生的误差又是独立而不相关的,如果用多台望远镜相乘的结果让噪声抵消,那么时间差就能被修正,并最终抵消时间差的‘噪声’。”
长达20年的等待
此次科学家选中的黑洞拍照对象是M87中心的黑洞,这个黑洞也被公认为宇宙中的“黑洞之王”。它距离我们5500万光年,直径足有400亿公里,是地球的300万倍;质量是太阳的65亿倍,甚至大过整个太阳系,科学家称之为“怪兽”。
令人意外的是,此前呼声更高的人马座A*黑洞图片却遭遇“跳票”。
对此,法尔克教授在布鲁塞尔的发布会上解释称:“人马座A*黑洞就像一个调皮的婴儿,动得太快,不利于图像的捕捉。我们意识到这一点后,就把主要精力都放在了M87黑洞上。”
法尔克作为“黑洞拍照”项目的发起人,为这一天等待了20年。20年前,他在做研究时就发现,在黑洞周围可能会产生某种射电波,从地球上的望远镜可以发现这种强波。他还回忆起1973年读到过的一篇文章称:这种强引力能够让黑洞看起来比实际大2.5倍。
为了证明自己的判断,法尔克说服了欧洲研究理事会(European Research Council),申请到经费来资助这一项目,后来美国国家科学基金会(NSF)和东亚资助机构也加入其中,总资助金额超过4650万欧元(约合3.52亿元人民币)。
“这是一个漫长的旅程,但最终我亲眼看到了。”法尔克说。正如滚石乐队的“灵魂”米克·贾格尔所说——你不可能永远得到你想要的,但如果你试一下,说不定正好找到你所需要的。
但是单个望远镜显然无法完成这一壮举,法尔克随后找到了哈佛-史密松森天体物理中心的多尔曼教授来主导全球联网观测。
他们动用了全球8个台站的毫米波望远镜组成干涉阵列,打造了一个超级巨无霸“相机”——虚拟的事件视界望远镜(EHT)。这些望远镜被分布在世界最偏僻的角落,包括夏威夷的火山、亚利桑那州的高峰、智利的荒漠以及冰天雪地的南极。
为了这一激动人心的探索,中国科学院天文大科学研究中心(CAMS)也加入了阵营——CAMS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的三大合作机构之一。具体则由上海天文台牵头组织,协调国内学者通过该合作机构参与此次EHT项目合作。
EHT科学委员会主席法尔克
EHT科学委员会主席法尔克
中科大物理学院天文学系教授袁业飞对第一财经记者表示:“中国科学家采用的是1.3毫米的射电望远镜观测,不仅在EHT的联网观测上面有贡献,而且在数据分析上也有关键性的贡献;更重要的是很多中国科学家来自大学,他们的贡献也来自理论方面,包括怎么从理论方面解析观测天文学家的观测结果。”
尽管此次发布的M87黑洞成像图已非常接近完美地呈现出黑洞的样子,不过对于一些追求极致的天文学家而言,它的模样仍然不够清晰。
“模糊是因为事件视界望远镜的分辨率还不够好。”《星际穿越》科学顾问、诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩做出了如上解释。EHT研究人员也已表示,随着未来更多望远镜的加入,以及望远镜本身性能的改善,未来科学家们会得到更加“高清”的图片。
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