大众网·海报新闻济南4月10日讯 4月10日21时,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿),将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言,通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果,人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布,一直“活在传说中”的黑洞终于要露真容了。

  大众网·海报新闻记者了解到,2017年的4月5日到14日之间,来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划,利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络,人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”(EventHorizon Telescope, EHT),其有效口径尺寸达到地球直径大小。包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构参与了此次国际合作。大众网·海报新闻记者注意到,据新华社等媒体透露,黑洞照片“冲洗”用了约两年时间。

  给黑洞拍照难,“洗照片”更难

  据中国科学院科普云平台官微“中国科普博览”分析称, 给黑洞拍张照片不容易,“洗照片”更是耗时漫长。射电望远镜不能直接“看到”黑洞,但它们将收集大量关于黑洞的数据信息,用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

  对于之前的干涉仪来说,因为不同望远镜之间的距离不会太远,不同位置的观测数据通常可以实时比较、合并而后得到图像,科学家们是有可能实时在屏幕上看到图像的。但对于此次跨越南北半球的事件视界望远镜观测,因其所涉及的站点区域非常广阔,所产生的数据量将十分庞大。事件视界望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB (1PB=1000TB=1000000 GB),和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多。考虑到有些区域(比如南极)的数据传输速度相对较慢,所以科学家们在观测时不会对各个站点的数据进行实时相关分析,所以更不可能在屏幕上看到黑洞的实时图像。

  在每一个观测中心,科学家们将利用提前校对好的原子钟时间,对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘,等到观测结束之后再汇总比较。在观测结束之后,各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心(分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所)。在那里,大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析,从而产生一个关于黑洞的图像。这一分析所需的时间少则半年,长则一年。

  无论最终的图像如何,即便是只能够看到几个像素,此次视界面望远镜的观测也将是人类黑洞观测史上的重要一步。

  望向银河中心黑洞的视界面,犹如在地球上看月球上的橙子

  视界面望远镜此次观测目标主要有两个,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。

  之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限,观测的难度更大。Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳的大小。

  然而,地球与Sgr A*相距2万5千光年(约24亿亿公里)之遥,这就意味着,它巨大的视界面在我们看来,大概只有针尖那么小,就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

  M87中心黑洞的质量达到了60亿个太阳质量,尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远,但因质量庞大,所以它的视界面对我们而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至还要稍微大那么一点儿。

  8个望远镜同时看到2个黑洞,每年只有10天窗口期

  要想看清楚两个黑洞视界面的细节,视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢?比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。

  科学家们之前可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量,但是,相较于恒星与黑洞之间的距离尺度(1万亿公里),视界面的尺度太微小了(至少小10万分之一倍),因此利用单个镜面很难完成。这时候,为了增强空间分辨率,就需要使用“干涉”技术了,即利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并,这一技术在射电波段已相当成熟。

  在这种情况下,望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离,而非单个望远镜口径的大小,所以,事件视界望远镜的分辨率相当于一部口径为地球直径大小的射电望远镜的分辨率。

  在此事件视界望远镜进行观测之前,天文学家们已经利用其中部分毫米望远镜对Sgr A*和M87星系中心黑洞进行了联合观测,并得到了一些令人兴奋的结果:尽管没能看清黑洞视界面,但已探测到了黑洞中心区域的辐射。

  为了增加空间分辨率,以看清更为细小的区域,科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,留给科学家们的观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天时间(对于2017年来说,是在4月5日到4月14日之间)。

  (记者 吴军林 综合整理中国科学院相关科普文章)