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到2019年第一张黑洞照片发布,经历了整整40年。

时间:2019-07-11 15:38 来源:网络 作者: 菜叶

到2019年第一张黑洞照片发布,经历了整整40年。

黑洞“底细”了! 从手稿到标准照的40年

尽管M87黑洞的成像图已非常靠近完美地出现出黑洞的姿势,不过关于一些寻求极致的地舆学家而言,它的容貌仍然不可清楚

钱童心

集全球多个地舆台站与科学家之力,人类总算看见了距地球5500万光年之外的黑洞“底细”。

从1979年第一张黑洞手绘稿问世,到2019年第一张黑洞相片发布,履历了整整40年。先进的勘探技术和数据处理方法让人类印证了科学的梦想与实践之间,原本可以如此靠近。

像极了40年前的对错手绘稿

首张黑洞相片于4月10日21时在我国上海和台北等全球六地一同发布。该黑洞图像提醒了室女座星系团中超大质量星系Messier87中心的黑洞。该黑洞质量为太阳的65亿倍。相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”。

“工作视界望远镜(EventHorizonTelescope,EHT)拍摄到的这张黑洞图片,从任何角度来看,无论是形状仍是颜色,都像极了1989年根据我的一张对错手绘稿用核算机仿照出来的图片。”

4月11日,法国天体物理学家、现任法国国家科学研讨中心(CNRS)主任、第一张黑洞仿照图撰稿人让-皮埃尔·卢米涅(Jean-PierreLuminet)在看到首张黑洞相片后,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梦想。

“人们惊讶于图片竟然与理论核算的模型如此一同,爱因斯坦现在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(ZiriYounsi)博士说,这一图像与理论物理学家和好莱坞导演们所梦想的黑洞相仿。他标明,“尽管黑洞对错常简略的物体,但是引发人类对世界和天然的考虑是最为深层的,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(JamesBardeen)及卢米涅等人核算出了黑洞的图像。

卢米涅回想道:“首张黑洞图的制造作业要追溯到1972年,当时在法国莱苏什(LesHouches)的夏天校园里,巴尔蒂恩研讨分析了克尔黑洞(Kerrblackhole),并核算出黑洞的自转怎样影响工作视界投影的形状。他的效果是当黑洞自转靠近角度峰值时,会构成一个D形状的阴影。”

1978年,当时仍是巴黎默东(ParisMeudon)地舆台一名年青研讨员的卢米涅初步着手制造黑洞工作视界的第一幅“肖像”。他仰仗自己的数学布景,运用一台上世纪60年代的IBM7040穿孔核算机,初度仿照出黑洞的姿势。

不过由于当时并没有先进的绘图软件,卢米涅抉择赤手制造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,在仿照图像闪现亮度高的当地布满地址上墨汁。”至今回想起来,卢米涅仍然觉得这是一个费劲的活。

他说道:“接下来,我再用一张负片将对错进行反转,这样原本墨浓的当地就变白了,原本布景亮的当地就变黑了,毕竟构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,这张手绘图总算诞生。

“超算”女博士立大功

但是今天,科学家再也不用像40年前的卢米涅相同费劲地手工“洗相片”了。

从给黑洞“拍摄”到“洗照”,整个进程都在核算机的大数据超功用核算处理中完结了,从望远镜收集数据,再将数据导出到移动硬盘,到相关比对、参数拟合到毕竟成像导出人们所看到的黑洞图,整个进程几乎全部由核算机处理。

“这在十年前是无法梦想的,但是今天我们做到了。”哈佛-史密松森天体物理中心的谢泼德·多尔曼(SheperdS.Doeleman)教授标明,“技术的打破、世界上最好的射电地舆台之间的协作、立异的算法都集聚到一同,打开了一个关于黑洞和工作视界的全新窗口。”

尽管有超算协助,但核算进程仍然耗费了科学家们近两年的时间。最大的应战在于,怎样把重达半吨的巨量数据组成一张黑洞相片。

中科院上海地舆台路如森研讨员对第一财经记者标明:“这是一个集聚了十几台站望远镜阵的项目,每台站又有许多个望远镜组成,几天内发作的观测数据相当于欧洲核子研讨中心(CERN)一年的数据量。关于这样一个凌乱工作的出现,科学家会分红独立的作业组,每一个作业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华看完,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-普朗克研讨所(类似中科院的研讨体系,下称“马普所”)等安排开宣告全新的算法,加速数据分析。

为此,这个世界协作项目邀请了数据科学家参与,一同完结这项“洗相片”的任务。其间一位名叫凯蒂·伯曼(KatieBouman)的麻省理工学院女博士生所做的作业,关于整个项目的贡献众所周知。

EHT科学委员会主席、来自荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克(HeinoFalcke)在布鲁塞尔的发布会上标明:“一箱一箱承载着黑洞相片的数据硬盘被送到美国麻省理工和波恩的马普所,处理这些数据需求许多的作业。”

伯曼提出了CHIRP的算法,通过干与重建黑洞。她发明的算法最重要的贡献在于,运用多台望远镜的效果做彼此相关然后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对第一财经记者说明说:“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发作的过失又是独立而不相关的,假如用多台望远镜相乘的效果让噪声抵消,那么时间差就能被修改,并毕竟抵消时间差的‘噪声’。”

长达20年的等候

此次科学家选中的黑洞拍摄对象是M87中心的黑洞,这个黑洞也被公认为世界中的“黑洞之王”。它的直径足有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*黑洞图片却遭受“跳票”。

对此,法尔克教授在布鲁塞尔的发布会上说明称:“人马座A*黑洞就像一个奸刁的婴儿,动得太快,不利于图像的捕捉。我们意识到这一点后,就把首要精力都放在了M87黑洞上。”

法尔克作为“黑洞拍摄”项目的发起人,为这一天等候了20年。20年前,他在做研讨时就发现,在黑洞周围可能会发作某种射电波,从地球上的望远镜可以发现这种强波。

为了证明自己的判别,法尔克说服了欧洲研讨理事会(EuropeanResearchCouncil),申请到经费来资助这一项目,后来美国国家科学基金会(NSF)和东亚资助安排也参与其间,总资助金额逾越4650万欧元(约合3.52亿元人民币)。

“这是一个漫长的旅程,但毕竟我亲眼看到了。”法尔克说。

他们动用了全球8个台站的毫米波望远镜组成干与阵列,打造了一个超级巨无霸“相机”——虚拟的工作视界望远镜(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求,我国科学院地舆大科学研讨中心(CAMS)也参与了阵营——CAMS由我国国家地舆台、紫金山地舆台和上海地舆台一同建立,是EHT的三大协作安排之一。

中科大物理学院地舆学系教授袁业飞对第一财经标明:“我国科学家选用的是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,并且在数据分析上也有关键性的贡献;更重要的是许多我国科学家的贡献也来自理论方面,包括怎样从理论方面解析观测地舆学家的观测效果。”

尽管此次发布的M87黑洞成像图已非常靠近完美地出现出黑洞的姿势,不过关于一些寻求极致的地舆学家而言,它的容貌仍然不可清楚。

“迷糊是由于工作视界望远镜的分辨率还不可好。”《星际穿越》科学顾问、诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩做出了如上说明。EHT研讨人员也已标明,跟着未来更多望远镜的参与,以及望远镜本身功用的改善,未来科学家们会得到更加“高清”的图片。

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