天文大咖詳解黑洞攝影秘籍 黑洞靚照是這樣誕生的

黑洞，宇宙中的當(dāng)紅“大咖”，天文學(xué)界、物理學(xué)界的“寵兒”。巨大的質(zhì)量、近乎于點(diǎn)的體積、吞噬一切的引力、無(wú)限高的時(shí)空曲率，就連光也無(wú)法逃脫它的“魔爪”。過(guò)去科學(xué)家如何確定黑洞的存在？大量黑洞候選體中，科學(xué)家為何會(huì)“相中”人馬座A*黑洞和M87星系中心黑洞進(jìn)行“拍照”？這張照片為啥沖洗了2年才面世？

連光都能吞噬如何看得見(jiàn)？“吃相太難看”黑洞現(xiàn)原形

“科學(xué)家可通過(guò)測(cè)量黑洞對(duì)周圍天體的作用和影響，如吸積盤、噴流現(xiàn)象等，間接觀測(cè)或推測(cè)黑洞的存在。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍表示，物質(zhì)在被吞噬時(shí)，會(huì)沿螺旋狀軌道靠近并落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤狀的吸積盤。在黑洞的引力下，吸積盤內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億度的高溫，從而發(fā)出輻射。

黑洞“吸食”周圍的天體物質(zhì)時(shí)，部分氣體在被“吃”之前會(huì)沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。

吸積盤和噴流都是宇宙中極為明亮的現(xiàn)象。1964年，美國(guó)科學(xué)家利用探空火箭在天鵝座區(qū)域偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常明亮的X射線天體，科學(xué)家將其命名為“天鵝座X-1”。它成為了人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞候選體。

如何給黑洞拍照？“巨無(wú)霸相機(jī)”口徑相當(dāng)于地球直徑

2017年4月5日，由分布在世界各地的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)，組成一臺(tái)巨大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其口徑相當(dāng)于地球直徑，分辨率大幅提升。用這一虛擬望遠(yuǎn)鏡“拍照”的重點(diǎn)對(duì)象是兩個(gè)黑洞，一個(gè)是位于銀河系中心的“人馬座A*”，另一個(gè)位于代號(hào)為M87的超巨橢圓星系中心。

“吸積盤的輻射主要是在可見(jiàn)光、紫外以及X射線波段。”茍利軍說(shuō)，但在吸積盤之外，黑洞周圍還會(huì)存在不少高速運(yùn)動(dòng)的自由電子，這些以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)的電子在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生射電波段的同步輻射，從而為事件視界望遠(yuǎn)鏡“拍照”創(chuàng)造了條件。

為何“沖洗”要花2年？數(shù)據(jù)量太大運(yùn)算處理耗時(shí)長(zhǎng)

“這類觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理并非只用一套現(xiàn)成的方法。多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間的鐘差、望遠(yuǎn)鏡自身狀態(tài)隨時(shí)間的微小改變等問(wèn)題都會(huì)影響觀測(cè)精度。另一方面，‘拍照’對(duì)象黑洞本身也在不斷變化，科學(xué)家需要探索新方法對(duì)‘相機(jī)’進(jìn)行校準(zhǔn)，建立模型，以提升合成圖像的質(zhì)量和精度。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷指出，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要根據(jù)處理結(jié)果不斷調(diào)整運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)，加之?dāng)?shù)據(jù)量巨大，因此用時(shí)很長(zhǎng)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡結(jié)合了多地的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)

本版圖文據(jù)新華社科技日?qǐng)?bào)新民晚報(bào)

制圖/方磊