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时刻知道丨银河系中心黑洞“露真容”,为何拍摄难度这么大?

来源:红网综合 作者:廖浩宇 编辑:刘良骏 2022-05-13 23:07:44
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“银河系中心黑洞的首张照片”正在刷屏。

北京时间12日晚9时许,包括中国在内的全球多地天文学家同步公布了这个超大质量黑洞—人马座A*(Sgr A*)的照片。相关研究成果以特刊形式发表在《天体物理学杂志通讯》上。

这是人类“看见”的第二个黑洞,为了完成这张特写,科学家们调动了全球从两极到赤道,包括8处独立的大型天文望远镜阵列进行图片数据拍摄。

距人类首张黑洞照片出炉3年后,第二张黑洞照片方才面世,为什么黑洞照片的拍摄难度这么大?

银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的最终照片由2017年EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作成。图源:EHT合作组织

黑洞照片不能光靠“拍”

黑洞本身并不发光,所以人们一般而言是无法看到黑洞的,因为它吞噬了所有的光(电磁波),那到底要拍到什么才能证明黑洞存在呢?

虽然黑洞本身不发光,但如果在黑洞周围打上光(“光”指:周围气体发出的辐射),就可以看到黑洞的阴影。阴影的大小直接正比于黑洞的质量,但这个寻找过程却不能只靠拍摄。

大约3年前,也就是2019年4月,事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)合作组织发布了人类首张黑洞照片——距离地球5500万光年的M87中央黑洞(M87*)的照片。

此次银河系中心的超大质量黑洞的照片,则是人类拥有的第二张黑洞照片。为了拍这张照片,研究团队创建了一个犹如地球般大小的虚拟望远镜,该望远镜由分布在全球六地的8个射电望远镜组成。

一般来说,望远镜并不能观察到黑洞的全部结构。所以,科学家需要通过相关算法,填补缺失的部分,才能构建出完整的黑洞图像。

为何第二张黑洞照比第一更模糊?

细心的读者可能会发现,两张黑洞照片看似相同,实则有差。比如,“高光”区域不同,这是因为不同的亮度代表辐射强度的高低。另外,尽管耗时更久,但第二黑洞照比第一更模糊。

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两张黑洞照片的对比:左为2019年4月面世的人类首张黑洞照片;右为2022年5月出炉的第二张黑洞照片。图源:EHT合作组织

其实,银河系中心的黑洞距离地球近些,之所以会出现这种情况,是因为在地球和银河系中心之间存在大量的气体和尘埃,这部分气体和尘埃对来自银河系中心的电磁波辐射,会产生散射效应,可能会对银河系中心图像产生“模糊和放大”的效果,所以我们需要到更短的毫米波里去成像。

对于银河系中心的黑洞成像,还有一个更大的挑战是,银河系中心黑洞的快速“时变”。这就好比,如果拍静物,摄影师能轻松捕捉,但如果拍快速运动的物体,就很考验摄影师的技术。

来自斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan解释:“气体绕转M87*一周需要几天到数周时间;但对于相对小很多的Sgr A*来说,气体几分钟内即可绕转它一周。这意味着在EHT观测后者时,该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案在时刻快速变化着。有点像要给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。

可以给黑洞拍彩色照片吗?

目前的两张黑洞照片都是一个色系的,且是单色的。那么黑洞有办法“超越”熊猫,拍出彩色照片来吗?

对此,南京大学教授李志远表示,给黑洞拍彩色照片,虽然在原则上可行,但技术上目前还有限制。因为不同波段的分辨率可能差别会很大,现在的毫米波、亚毫米波已被证明是最能提供高分辨率细节的波段,如果要将“拍摄”推广到其他波段,不是现有的仪器所能做到的。

虽然彩照短期内无望,但双色或许可能。李志远介绍,(EHT)也在计划推动更多波段的“拍摄”,比如推进更高频率波段的观测。

这张照片的拍摄对研究有什么意义?

在此次黑洞照片发布前,可能很多人在听到银河系中心黑洞照片时,期待的是看到《星际穿越》电影当中的黑洞相似的样子,然而结果却并非如此。

电影《星际穿越》中的黑洞。

这是因为,我们看到的是黑洞很近的部分,如果相对比较远的话,那么就会看到类似于《星际穿越》电影当中的景象。

无论如何,相比较之前的M87*,这张照片更显得亲近,因为这是我们自己星系黑洞的照片,而且它的拍摄难度更大。

来源:红网综合

作者:廖浩宇

编辑:刘良骏

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