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人类首张黑洞照片,关键算法出自一位学生之手

时间:2019-12-01 来源:凌志聊历史

天文学家们终于成功捕捉到第一幅黑洞图像,这也代表着我们对于黑洞这一宇宙中最神秘天体的理解,终于迈出了实质性的一步。

人类首张黑洞照片,关键算法出自一位学生之手

由事件视界望远镜计划拍摄下的黑洞图像

这份图像中包含一个由尘埃及气体组成的光环,其勾勒出巨大的黑洞轮廓。此次拍摄的黑洞位于M87星系中心,距离地球5500万光年。

作为宇宙中的终极陷阱,任何物质甚至光都无法逃脱的强引力中心,黑洞本身是无法以光学形式观察的。然而,最新的观测结果使得天文学家们第一次有机会纵览它的边界,即超越一切已知物理定律的事件视界。

捕捉到这一突破性影像的事件视界望远镜(简称EHT)实际上是一套望远镜网络,由全球各地的八台射电望远镜共同组成。这些巨大的望远镜横跨南极洲、西班牙与智利一线,共有200多名科学家全程参与观测。

EHT项目主任、哈佛大学高级研究员Sheperd Doeleman指出,“黑洞是宇宙当中最为神秘的物体。我们终于看到了我们原本认为无法观测的对象。我们拍下了一张黑洞的照片。”

美国国家科学基金会主任兼法国天体物理学家France Córdova表示,单单是在她所主持的新闻发布会上公布这张照片,就已经让她流下激动的泪水。她表示,“我们长期以来一直不懈研究黑洞天体,有时候甚至会忘记就连研究人员自己也从来没有见过黑洞。这一次的成果,将在人类的记忆当中留下永远的烙印。”

这幅图像首次直接展示了黑洞的吸积盘,这是一个模糊的环状气体与尘埃环,能够稳定地“喂养”轮廓核心中的强引力巨兽。

EHT项目捕捉吸积盘内粒子发出的辐射。这些粒子以接近光速的速度在黑洞周边快速旋转并被加热至数十亿度,最终消失在黑洞的视界范围之内。

该光环之所以在图像中呈现出新月状外观,是因为吸积盘侧方面向地球旋转的粒子拥有更快的旋转速度,因此看起来更亮。而内部的黑暗阴影部分则代表着事件视界的边缘,落入其中的物质将再无法摆脱黑洞的引力。在黑洞无情的吞噬下,包括光线在内的一切都将最终被卷入其中。

黑洞天体最初由爱因斯坦的相对论首先预测了黑洞天体的存在——不过就连爱因斯坦本人也对其是否确切存在持怀疑态度。从那时开始,天文学家们已经积累到大量间接性证据,表明这些宇宙重力井确实存在。包括最近发现的引力波,正是两个黑洞碰撞时在宇宙空间内产生的巨大波动现象。


人类首张黑洞照片,关键算法出自一位学生之手

英国《卫报》刊载的图像

然而,黑洞本身黑暗、遥远且体积有限,如果要利用单一望远镜进行观察,那么其分辨率相当于从地球上观察月球表面的一块小饼干。以往,人们一直认为这是一项不可能逾越的挑战。

EHT项目通过将全款范围内八大主要无线电观测台的数据(包括智利的阿塔卡马大毫米阵列,简称Alma,与南极望远镜)合并起来,创造出一个直径相当于地球直径的虚拟望远镜,最终获得了观测黑洞所必需的技术基础。

此次观测计划启动于2017年,并提出了两项主要目标。首先是对银河系中心位置的射手座A黑洞进行观测,其质量约为400万个太阳。第二项目标则是观测M87星系中存在的一个超大质量黑洞,其吸收的光与物质已经相当于60亿个太阳的质量。

目前,项目组还在继续制作银河系黑洞的图像。Doeleman介绍称,“我们希望尽快向大家公布研究的最新成果。”

该项目的成功,无疑离不开分布于全球多个大陆上的八支观测团队间的精密协调。利用氢脉冲原子钟对不同地点的观测结果进行协调,天文学家们实现了每1亿年误差1秒钟的极高时间精确度。2017年4月的一个晚上,整个计划正式启动。来自伦敦大学学院的EHT合作成员Ziri Younsi回忆道,“我们非常幸运,那天的天气堪称完美。”

由此产生的庞大数据量也可谓前所未有——就在这一晚时间之内,EHT所产生的数据量就足以塞满总重量高达半吨的磁盘。这意味着来自南极望远镜的数据需要等待半年才能运送完成,因为科考人员需要等到南极的冬季结束时方可踏上归程。

此次观察结果,使得科学家们对黑洞周边的特殊环境有了新的认识。在那里,引力如此强烈,以至于我们所了解的一切现实都被扭曲得无法辨认。

在事件视界周边,光线在黑洞附近被完美地扭曲,这意味着如果我们有机会亲身站在那里,则能够直接看见自己的后脑勺。这些观测结果也相当于对爱因斯坦广义相对论做出了迄今为止最为严苛的一次测试。爱因斯坦的理论预测出黑洞吸积盘的圆形轮廓,而这确实与EHT的观察结果相一致。

科学家们还希望借此机会更多地了解辐射射流的起源。这些辐射由粒子运转速度接近光速的黑洞两极位置发出,并创造出能够在宇宙空间中被观测发现的辉煌信标。

然而,此次观测结果仍然无法揭示黑洞那不可思议的内部构造。

Younsi表示,“黑洞指的并不是事件视界,而是其内核部分。黑洞处于事件视界的中心位置,可能是悬浮在表面之下的奇异物体,也可能是位于中心的奇点……或者一个环。总之,目前拍摄到的图像还无法向我们解释黑洞内部的情况。”

EHT科学理事会主席、来自荷兰拉德伯德大学的Heino Falcke表示,“对我而言,最重要的问题就是我们能否进一步超越这一限制。答案有可能是否定的。这也许令人沮丧,但我们必须接受现实。”

>>>关键算法出自一位学生之手

人类首张黑洞照片,关键算法出自一位学生之手

▲ 当时正在麻省理工学院学习的Katie Bouman提出了一项关键算法,现在她已经前往加州理工学院进修

事件视界望远镜项目采用一种名为干涉测量的技术。其基本原理,类似于通过在池塘边缘旋转探测器来测量水面产生的涟漪,进而重建落入池塘的鹅卵石。同样的,EHT计划中来自八台望远镜的信号必须进行组合并通过计算机加以馈送,从而将一堆难以理解的光点转化为可视图像。

这无疑带来了前所未有的计算挑战:需要收集的数据量非常庞大,必须保存在重达半吨的磁盘当中并运送至作为中心位置的麻省理工Haystack天文台。

开发出新的、极为复杂的算法,正是保证EHT计划能够将数据转换为图像的关键所在。这项任务不仅要求研究人员进行数据合并,还必须过滤掉由大气湿度等因素对无线电波产生的翘曲效应,同时精确地同步各远距离望远镜所捕获的信号。

在麻省理工学院的学习过程中,计算机科学家Katie Bouman提出了一种新的算法,能够将EHT网络收集到的数据组合在一起。Bouman随后还设计出一系列精妙的测试方法,能够确保EHT得出的图像不是某种技术故障或者侥幸拼接出的结果。在这一阶段,有四支独立团队共同协作,他们各自分析数据并进行结果比对,直到对整体发现抱有充分的信心。

Bouman总结称,“我们的计划汇聚了天文学家、物理学家、数学家以及工程师,正是这一切将曾被认为不可能的任务变成了现实。”