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人类好奇心把黑洞照亮 这张历史性照片背后有浙江乡情 

2019-04-12 07:34 |浙江新闻客户端 |记者 曾福泉 何珠华 实习生 林婧 通讯员 陈冬梅

这可能是2019年最有价值和最受期待的照片。4月10日晚一经公布,就吸引了全球的目光。

在明亮吸积现象和“宇宙火柱”喷流现象衬托下,黑洞的“剪影”——这是人类第一次目睹黑洞的真容。自爱因斯坦1916年提出黑洞理论以来,我们终于得到了黑洞存在的直接“视觉”证据。

这一令人震撼的科学成果,来自全球科学家的精诚合作与不懈努力。从山巅到沙漠到南极,射电望远镜组成全球网络,人类拥有了直径相当于地球的“事件视界望远镜”(EHT),这是何等雄伟的实验能力。

带着熔岩般金色的“光环”,漆黑“桌布”上的“甜甜圈”,冷寂宇宙中的一团“烛光”,从星空深处望向地球的“眼眸”……前所未见的黑洞照片引发了无尽的遐想。一个世纪前,恢弘的想象力让人类最优秀的大脑预见黑洞的存在。今天,人类不泯的好奇心,终于把黑洞照亮。

4月10日,全球多地同时召开新闻发布会,发布人类拍到的第一张黑洞照片。 新华社记者 刘杰 摄

获取黑洞真容

人类探索宇宙的极限再度拓展

“一个里程碑式的成果!”浙江工业大学天体物理研究所朱涛教授收看了10日晚间首张黑洞照片发布会的直播,极为赞叹。

根据爱因斯坦的广义相对论,当一个物体的质量不断塌缩,就能隐蔽在事件视界之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强大到连光都无法逃脱。此前,虽有许多间接证据证明黑洞的存在,但科学家从未直接“看”到它。

既然黑洞是“黑”的,这一次,我们是如何看到它的呢?朱涛说,黑洞并非孤立存在,当它把周围的物体吸引到自己的身边,就会形成一个吸积盘。在吸积盘内的物质被吸入到黑洞的过程中,引力势能会减少,转化成大量的、非常明亮的光和辐射,其能量的转化效率比地球上已知的任何能量转换效率都要高。同时,黑洞也会以喷流和风的形式向外喷射物质和能量。“这次事件视界望远镜对黑洞的观测,其实主要就是观测黑洞吸收周围物质所发出的这些辐射。”

广义相对论预言,我们将会看到黑洞的中心区域存在一个阴影,周围环绕一个由吸积或喷流的辐射造成的光环——它状如新月,大小根据黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同而变化。这次得到的照片完美符合了理论。

“我们再一次证明了广义相对论的正确性。和以往大多数的弱引力场情况下的检验不同的是,这次是在非常极端引力环境下的检验,拓展了人类探索宇宙的极限。我认为这是一个新的天文学时代的开始。”朱涛说。

根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分成三类:恒星级质量黑洞(几十倍到上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。根据理论推算,银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。到目前为止,通过间接的观测,科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞,但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。

“黑洞是一个检验基本物理学规律的天然实验室,对黑洞的了解越多,我们对人类所提出的各种基本的物理学规律的了解就愈深。对黑洞的形成、演化的研究可以帮助人们进一步探索宇宙起源、演化等现代物理学中的重要基础课题。”朱涛说。

“事件视界望远镜(EHT)”项目主任谢泼德·杜勒曼表示,为了更好地拍摄黑洞,他们计划在地面望远镜基础上加入太空望远镜,并已开始和中国方面讨论展开合作。 新华社发

计划叹为观止

打造直径等于地球的虚拟望远镜

能够拍下黑洞照片的“相机”,绝不一般。

直接观测黑洞需要极高分辨率的望远镜:如果是光学望远镜,则要为它配备一块直径达几公里的玻璃镜片;如果是红外望远镜,它的口径更要达到几十甚至上百公里;若是毫米波望远镜,其口径将相当于地球直径。

利用甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技术,科学家真的打造出了一个口径相当于地球直径的虚拟望远镜。中国科学院上海天文台路如森研究员介绍,VLBI利用广为分布、距离可达上万或几十万公里的射电望远镜,通过各台站独立记录信号和后期对信号的综合相关处理,获得一个大小相当于各台站之间最大间距的巨型虚拟望远镜。VLBI利用精准到每数亿年才误差一秒的原子钟来保证望远镜收集并记录的信号在时间上同步,并确保信号的稳定性。

2017年4月,科学家将八台射电望远镜组成了巨大的“事件视界望远镜”。这些望远镜分布在全球的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、美国亚利桑那州山脉、西班牙内华达山脉、智利阿塔卡马沙漠,以及南极点。通过这些望远镜,我们接收到来自黑洞的辐射,如同拼图一般将这些微弱信号累积起来,最终就能获得一幅黑洞“剪影”。

工具准备妥当,还要选择最合适的黑洞当“模特”。这次科学家选择了位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*和近邻射电星系M87的中心黑洞M87*作为主要目标。黑洞事件视界的大小与其质量成正比,这也意味着质量越大,其事件视界越大。这两个黑洞质量都超级大,它们的事件视界在地球上看起来也是最大的,可以说是目前最优的成像候选体。

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2.5万光年之遥。中国科学院上海天文台沈志强研究员说:“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个放在月球表面的橙子。”M87*中心黑洞的质量更为巨大,达到了60亿个太阳质量。

北京时间2017年4月4日,事件视界望远镜启动拍摄,将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。在观测结束之后,各个站点收集的数据被汇集到两个数据中心,超级计算机通过回放硬盘记录的数据,在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析,从而产生一个黑洞高分辨率影像。此后,经过长达两年的“冲洗”,首张黑洞照片方得问世。

中国贡献智慧

黑洞观测未来还有更多精彩

在这场漫漫探索中,我国科学家作出了重要贡献。不少科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究。在2017年EHT全球联合观测期间,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜,共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的M87黑洞成像提供了总流量的限制。

“现代科学的探索越来越依赖国际合作。现代物理学中很多前沿的实验和观测研究都是对人类技术能力的挑战,也越来越需要更多的投入。近年来物理学中的几个非常重要的发现都是国际合作与努力的结果。”朱涛说,随着中国经济社会和创新力量不断发展,中国参与国际合作的广度和深度不断加大,在吸收世界创新养分的同时,也不断贡献中国智慧。

参与此次EHT观测的科学家都表示,对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点站:一方面,对于M87*的观测结果分析还能更加深入,从而获得黑洞周围的磁场性质,对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。另一方面,银河系中心黑洞Sgr A*的照片也将出炉。EHT项目本身还将继续“升级”,还会有更多的观测台站加入EHT,灵敏度和数据质量都将提升。

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黑洞照片背后的浙江乡情

“我这两年参与的研究项目EHT(事件视界望远镜)终于要在今晚公布研究成果了。”北京时间4月10日上午9点34分,美国亚利桑那大学助理天文学家陈志均在家庭微信群里,发布了这样一条信息,向家人报喜,满满都是激动与欣慰之情。

陈志均(右一)在华盛顿新闻发布会现场。

此时此刻,他的母亲、诸暨旅港同乡会副会长周惠英正在老家牌头镇杨曙霞村探亲。虽然两年前就知道儿子加入了研究黑洞的科研团队,但具体是什么,她其实并不很清楚。直到看到网络上铺天盖地有关黑洞照片的新闻,她才知道,儿子做的,是一件多么了不起的事。

出生于1981年的陈志均,1997年在香港完成高中课程,赴美国亚利桑那大学深造,26岁博士毕业后到哈佛大学做了3年博士后研究,专攻天体物理学和计算机专业。

读博士时,他就开始研究黑洞,之前主要做超级电脑的计算,模拟黑洞周围的电浆。2年前加入EHT这一研究团队后,他主要协助EHT设计数据分析的程序,成为软件及数据召集人,数据分析小组及影像成像小组核心人员,为整个项目架设云计算系统做数据分析和影像成像。

美国东部时间10日9时(北京时间10日21时),美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京同时召开新闻发布会,发布全球约200名科学家合作“事件视界望远镜”计划的第一项重大成果,人类有史以来获得的第一张黑洞照片公诸于世。

陈志均在家庭群发消息。

10日晚上8时多,在杨曙霞村的周惠英和弟弟周伟潮一起,早早地候在家中电视机前,观看有关黑洞照片公布的直播。

“他从小喜欢物理,七八岁时就开始到图书馆借阅有关物理的书籍。”在周惠英的眼里,儿子最大的特点就是专注、心静、爱看书,动手能力也很强,很小的时候就会把家里的玩具拆了重装。

这一点,舅舅周伟潮也印象非常深刻:“小时候他每年暑假里会到诸暨来住一段时间,一整天也不出去玩,就待在家里把收音机、闹钟全部拆开来重装,往往完好无损,那时候也就七八岁年纪吧。”

在诸暨老家,一直保存着周惠英从美国带过来的一本英文版《科学人》杂志。早在2015年,儿子陈志均就在该杂志上,和导师一起发表了他用电脑模拟的黑洞照片以及相关的研究成果。

今年65岁的周惠英,1979年离开诸暨,嫁给了香港的陈树林先生,成为九龙荃湾的新移民。她生育了一儿一女。

儿子陈志均在美国读书时勤奋有加,早上最先亮灯的是他,晚上最后熄灯的也是他。别人要读4年的大学,他3年就读完并获得了物理和数学两个学位;别人要读6年的硕士博士,他采取不休假的连读,在5年内把全部功课的学分拿到手。

女儿雯雯也很出色,香港大学毕业后,从3万余名报考公务员的大学生中脱颖而出,进入香港出入境管理处。

“小时候我自己没条件上学,一定要让孩子好好读书。”这是周惠英多年来不懈努力的动力所在。

为了替孩子积累求学资金,她一到香港就想尽一切办法打工挣钱:一开始,白天外出打工去挣30元钱的苦工,回家还要赶做承揽的缝纫活到半夜。有了孩子以后,不能外出打工了,就替别人带两个小孩,在照料孩子的空隙或在孩子们沉睡之后,完成外发加工的缝纫活。

香港人都喜欢喝早茶、逛商店,周惠英和丈夫却只吃自己做的饭,几年也舍不得买一件新衣服,节衣缩食替孩子们积累求学资金。

这40年来,诸暨人“耕读传家”和吃苦耐劳的奋斗精神,在她身上淋漓尽致地体现。

陈志均的妻子是美国一位法律界的专业人士,这几年,陈志均全身心地扑到科学研究中,她非常支持丈夫的选择,家中大小事情尽量不让他操心。陈志均的岳父岳母,则每年都从加拿大飞到美国去照顾他们的孩子。

当天在华盛顿发布现场的陈志均非常激动。对他来说,多年的潜心研究终于有了回报。而对世界来说,就如美国国家科学基金会官网首页有关发布会的介绍中写的那样:“这是关于黑洞的历史性宣布”。

早在1915年,爱因斯坦发表广义相对论,最先预言了黑洞的存在。此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致,在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像,人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。

由于并非直接拍出黑洞图像,故要花费极长时间冲晒,包括处理当中的各项数据、补足缺失的部分,并展开校准数据的工作。陈志均说,通过参加这次计划,知道黑洞不只是黑色,当电浆下跌时,会变得很热,令黑洞有时候会比所在银河系更亮,“所以我们可以直接帮黑洞拍照,就可以了解电浆特性,从而了解星系的演化。”

陈志均也透露,云端运算等新科技对这次国际合作十分重要,当其研究团队为6份论文努力的同时,他们有超过20部强大的虚拟机在美国东岸及西岸的Google数据中心运作,为全球其他科学家提供数据。

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