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黑洞照片用什么拍的?普通相機(jī)也能拍攝超過100 億像素的照片

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黑洞照片用什么拍的?普通相機(jī)也能拍攝超過100 億像素的照片

2019/04/13

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首張黑洞照片揭曉,人類第一次看到黑洞的視界面!它由有效口徑相當(dāng)于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡陣列觀測到,經(jīng)過2年“沖洗”完成。

北京時(shí)間4月10日21點(diǎn)整,天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會(huì),宣布首次直接拍攝到黑洞的照片。這張照片來之不易,為了得到這張照片,天文學(xué)家動(dòng)用了遍布全球的8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡,組成了一個(gè)所謂的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope,縮寫EHT)。

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這顆黑洞位于代號為M87的星系當(dāng)中,距離地球5300萬光年之遙,質(zhì)量相當(dāng)于60億顆太陽。


大家在平時(shí)閱讀科學(xué)新聞、科普書籍以及觀看科幻電影的時(shí)候,也經(jīng)常能看到黑洞的樣子,但其實(shí)都是根據(jù)科學(xué)理論推測出來的,并非直接觀測。2014年,由諾蘭執(zhí)導(dǎo)的科幻電影《星際穿越》大熱,在這部影片中,光環(huán)籠罩下的超大質(zhì)量黑洞——“卡岡圖亞“(Gargantua)令人心生敬畏,這里的黑洞形象是使用計(jì)算機(jī)模擬出來的。在著名理論物理學(xué)家吉普·索恩的指導(dǎo)下,這里的模擬已經(jīng)非常接近真實(shí)了,但畢竟還是模擬,這次是玩真的了。

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為什么能給不發(fā)光的黑洞拍照?

這些年,黑洞這個(gè)名詞頻頻出現(xiàn)在媒體報(bào)道中,想必很多人都已經(jīng)對它有些了解。恒星級質(zhì)量的黑洞是由大質(zhì)量恒星演化到末期核心發(fā)生引力坍縮而成。中等質(zhì)量黑洞和大質(zhì)量黑洞的形成的具體方式目前還沒有定論:可能是由小黑洞合并形成,也可能是由黑洞通過吞噬物質(zhì)逐漸形成,還可能是由大量氣體物質(zhì)直接坍縮形成。

黑洞給人印象最深刻的印象就是吞噬一切,甚至光線。如果是孤零零的黑洞,我們真的是沒辦法采用電磁波手段進(jìn)行拍攝了。

給黑洞拍照的目的是什么?

通過對黑洞的直接觀測,科學(xué)家希望能夠在更強(qiáng)引力場環(huán)境下檢驗(yàn)廣義相對論,直接驗(yàn)證事件視界的存在,研究黑洞邊緣上的吸積和噴流行為,以及基礎(chǔ)的黑洞物理等。

我們知道,愛因斯坦的廣義相對論通過了一次次的檢驗(yàn),從星光通過太陽的偏折角度到太空中的引力透鏡,從光線掙脫白矮星的引力約束出現(xiàn)的紅移到水星的近日點(diǎn)異常進(jìn)動(dòng),從雷達(dá)回波延遲到脈沖雙星輻射引力波出現(xiàn)的軌道周期變短等等。但這些檢驗(yàn)都還沒有深入到像黑洞視界邊緣這樣的更極端的引力環(huán)境中檢驗(yàn)。因此,科學(xué)家利用事件視界望遠(yuǎn)鏡通過對黑洞視界邊緣直接觀測,看看廣義相對論是否仍然有效。

當(dāng)然,自從2015年人類首次直接探測到黑洞合并發(fā)出的引力波以來,已經(jīng)探測到了10對黑洞和1對中子星的碰撞,這些引力波攜帶的信息與廣義相對論符合得也很好。我們對廣義相對論還是非常有信心的。

廣義相對論預(yù)測,物質(zhì)落入黑洞時(shí)發(fā)出的部分光子會(huì)圍繞在黑洞邊緣,加上引力透鏡效應(yīng),會(huì)形成一個(gè)明亮的光環(huán),勾勒出中心黑洞的輪廓,猶如黑洞的剪影。

黑洞輪廓的大小和形狀可以從廣義相對論引力場方程計(jì)算出來,這取決于黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量。我們通常說黑洞有“三根毛”,指的是質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷,但電荷通常忽略不計(jì)。廣義相對論預(yù)言,黑洞陰影的形狀基本上呈圓形,但其他版本的引力理論卻預(yù)言了稍微不同的形狀。因此,這次可通過直接觀測來驗(yàn)證廣義相對論。

#黑洞照片發(fā)布三大難點(diǎn)#:

  (1)數(shù)據(jù)運(yùn)輸花了很長時(shí)間,最后用飛機(jī)花了幾個(gè)月運(yùn)輸千萬億大小字節(jié)的數(shù)據(jù);

  (2)對校準(zhǔn)非常小心,觀測所有黑洞在本質(zhì)上起重要作用的小碰撞和擺動(dòng);

  (3)內(nèi)部設(shè)立獨(dú)立審查小組處理所有數(shù)據(jù)。

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