耗时两年做出的“甜甜圈”:黑洞照片到底有多难拍?

硬知❤知知 2019-04-30 13:46
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2019年4月10日,天文学家们发布了人类历史上第一张黑洞的照片。

 

 

 (天文学家们发布的黑洞照片)

 

在短暂的震惊之后,广州人民首先发言:“这不是甜甜圈吗?”

充分发扬了,万事万物皆可早茶的朴素本质。

 

还有部分网友表示:“这不是煤火炉子/蜂窝炭吗?”

Too young too naive!

你们对真正的力量一无所知。

 

 

 (网友找出的相似图片)

 

今天我们就来聊聊,这张震撼世界的黑洞照片后面,我们的科学家们都解决了哪些难题。

 

 

 

难题之一  数据问题

 

 

首先第一个难题就是,我们观测到的数据量非常庞大,光是2017年8个望远镜的数据量,就达到了10PB(10240TB)。再加上2018年,又增加了格陵兰岛望远镜,导致数据量再次增长。那么相对应的,处理数据的难度也一路上升。

 

这时大家就会问到了,这么多望远镜,是用来干什么的?

 

大家要知道,我们能看到恒星,看到太阳,是因为他们本身发光;能看到月亮,是因为光线反射。

 

但是黑洞是不会让任何东西逃脱的,包括光线,所以我们才看不到它。

如此一来,要想给黑洞拍照,就要借助“事件视界”了。

 

 (黑洞模拟解释图)

 

黑洞将附近物质拉向自己的过程,叫做“吸积”,那么物质绕行时形成的盘状结构就是吸积盘了。

 

物质在进入事件视界时,因为高速运动,会被加热到数十亿度的高温,还会有强烈的辐射。

所以我们可以通过观测辐射的影像来获得黑洞视界的剪影,但是黑洞出来的电磁波,到达地球就是平面状的了,如果这种情况下想要黑洞成像,我们需要一个口径像地球那么大的望远镜。

 

但这显然是不可能存在的。

 

为了解决这一难题,事件视界望远镜,简称EHT,就此诞生了。

事件视界望远镜,就是利用全球各地射电望远镜组成网络、通过干涉测量法,来模拟一个像地球口径大小的的望远镜。

 

这望远镜像什么呢?

 

就像一个有点弧度的抛物面镜子,只要平行光进入镜子的反射面,再使用特定的反射角度,就能让光同时到达焦点,从而获得清晰的成像。

 

(EHT8个台站位置连线)

 

然而,这还只是获取数据这一个环节。

获取了数据之后,我们还要进行传输,而这些大概有千万亿大小的字节数据,不可能通过互联网传递,只能以硬盘的方式来传输。

像是下图,就是飞机用了几个月才运输完成的,望远镜所生成的原始数据。

 

(望远镜生成的原始数据)

 

还有就是,数据读出来之后,为了确保数据的准确性,科学家们分别在美国的麻省理工学院和德国的马普射电所进行分析数据。

他们二者彼此独立处理数据,也彼此验证和校对,通过这样的方式来保证最终结果准确可靠。

 

直到完成验证,数据这个部分,才算是告一段落。

 

 

难题之二  技术问题

 

要拍摄黑洞的照片,我们首先要挑选适合拍照的“黑洞模特”出来。

这个模特,需要满足以下两点要求:

1、黑洞质量要大,这样阴影才会越大。

2、黑洞到地球的距离。

所以,根据这两个条件,科学家们最后确定了以银河系中心黑洞Sgr A*和星系M87的中心黑洞作为模特来进行拍摄。

 

因为Sgr A*是地球上能观测到最大的黑洞,视边界看起来尺寸大概是0.00005角秒。

不用数几个0了,知知来告诉你们,这是50微角秒。相当于从地球上,看月球上一个橘子。

而M87*,尽管质量比Sgr A*大了1500倍,但是距离却远了2000倍,这也是它虽然比Sgr A*要大,但是只是第二大黑洞的原因。

 

 (银河系中心附近恒星的运动视频)

 

这两个黑洞,无疑都是宇宙中的庞然大物,但是实际观测起来,就像是两个遥远的点状物。

 

那么,接下来科学家们面对的问题,就是如何让观测黑洞的射电望远镜,拥有更高的分辨率了。

说到这里,知知就要给大家好好讲讲VLBI(Very Long Baseline Interfermetry:甚长基线干涉测量)技术了,因为它完美解决了让射电望远镜实现高分辨率的难题。

简单解释一下,这个VLBI技术就是当相隔两地的两架射电望远镜同时观测来自同一天体的射电波,根据各自独立的时间标准,将天体的射电波记录下来,然后再将这两个记录一起送入处理机进行相关处理,最终分析获取该天体的射电辐射强度和位置。

 

 

可是在VLBI技术解决了射电望远镜分辨率的问题后,科学家们还遇到了另一个技术上的瓶颈,那就是观测窗口需要在1毫米左右。

 

之所以规定要在1毫米这个精度,是因为根据理论预言,黑洞周围气体在1毫米附近的辐射强度最高,黑洞周围气体的辐射变得透明,所以1毫米附近是个比较干净的观测窗口。

但由于1毫米观测窗口的这个极高难度的技术层面要求限制,所以,即使我们早就知道了理论预言,早就有了VLBI技术,也没办法拍摄黑洞的照片。

 

那到了这一环节,拍摄黑洞面临的难题,就成了要在毫米波的频率上来观测天体。 

 

前文我们说过,EHT的每架射电望远镜,其实本质上就是一架大口径的抛物面天线,就像卫星天线锅。

 

为了保证射电望远镜的天线在观测波段内可以正常观测,天线在技术上有个门槛,那就是加工精度必须足够的高,其偏离抛物面的程度最多只能与观测波长相差5%。

所以,观测毫米波所需要的天线,加工精度更高,相对应的,难度也更大。

为了解决这个难题,科学家们不再一昧的追求有效口径的大,而是转而去攻克抛物面精度的问题,让毫米波信号能够有效聚焦。

由此,我们在2017年观测Sgr A*和M87*的EHT,所基于的窗口就是1.3毫米的,未来我们还有希望使用0.8毫米的观测窗口。

 

而且,相关报道指出,参与EHT的八台望远镜有效口径大多为十几米,最大不过73米。在口径做大和抛物面精度无法同时保证的情况下,科学家们根据不同的需求,完美的做出了权衡,这才有了能够成功观测黑洞的望远镜。

(位于智利的阿塔卡玛大毫米波阵列:ALMA,拥有66座碟形天线)

 

难题之三——后期分析

 

最后,无论是哪个行业,分析整合的工作永远是整体工作中最繁杂的一项,观测黑洞的数据分析也不例外。

 

我们了解到,2017年4月份的观测中,8个台站在5天观测期间共记录约3500 TB的数据。

这个数据的概念就相当于连续500小时的高清电影。

但就像我们之前也说到过的,3500TB这么庞大的数据不可能通过网络传递,所以只能依靠硬盘来传输。 

而且,数据处理中心的超级计算机,需要获取相同信号到达两个望远镜的时刻差(也叫作时延),以及时刻差随着时间变化的快慢(时延率),来校正射电波抵达不同望远镜的时间差,最后综合两个望远镜的位置信息、信号强度、以及我们之前说的时延和时延率,才能对天体的射电辐射强度和位置进行分析。

 

在这整个数据传输分析的过程中,数据量之多、处理难度之大,简直是前所未有。

即使在科技发展极其迅猛的现代,超级计算机的运算能力已经十分强大了,但是“冲洗”这张黑洞的照片,还是用了近两年的时间,期间科学家们还不断地对这些数据进行后期的分析和处理。

也正是因为所有参与人员长久以来的一丝不苟,最终才能成功发布出这张震惊世界的黑洞照片。

 

最后放上一张电影《星际穿越》中,由获得诺贝尔奖的基普·索恩,带领团队花费了整整一年才做出来的黑洞模拟图,大家觉得它和“甜甜圈”,哪个更符合你心里对黑洞的幻想呢?

(《星际穿越》中的黑洞模拟图)

 

在文章的结尾,知知也希望,人类在探索宇宙奥秘的路上,能够揭开宇宙更多神秘的面纱,让我们在有生之年,能体会到更多的震撼。

 

话说回来,你们不觉得下面那个【在看】也很像个甜甜圈吗?(疯狂暗示)

喜欢的话,就动动你们的手指头,勇敢的点下去吧!

 

 

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