国家天文台研究员为你揭秘 人类首张黑洞照被“美图”过

■这是人类史上首张黑洞照片。新华社发

4月10日晚上9时,人类史上首张黑洞照片在中国上海和台北、比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、日本东京和美国华盛顿全球六地同时对外发布,这是人类首次通过图像直观地看到黑洞,也再一次印证“爱因斯坦又对了”。

这张照片呈现出的是一个橙色的光环,环内的中心和环外的区域都是黑色。由于图像并不是很清晰,有网友调侃道“以为自己的近视度数又加深了”。然而你知道吗,这张照片甚至不是黑洞真正的样子,而只是一张“伪色图”。

带着对这张意义重大的黑洞照的疑问,新快报记者采访了国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军。

苟利军昨晚第一时间观看了黑洞照片的发布过程。他直言,尽管之前见过很多黑洞的模拟图,但是见到真正的图像,还是很激动的。“有种模糊的美,又很可爱的样子。”他如是赞叹。

■新快报记者 吴晓娴

独立测量M87中心黑洞质量

问:这张黑洞照片和你想象的一样吗?它的发布意味着什么?

答:还是跟想象当中一样的。爱因斯坦的广义相对论描述了宇宙中的很多事物,黑洞本身和它周围的运动都可以用广义相对论的场方程来描述。之前广义相对论已经得到了大量的验证,这次是对其再一次验证。

我们注意到,这个圆环的一侧亮一些,另一侧暗一些,原因在于吸积盘的运动效应。因为多普勒效应的存在,朝向我们视线运动的区域会变得更亮,而远离我们视线运动的区域会变暗。中间黑色的区域就是黑洞本身——光线无法逃离之处。这个效应在这张图上得到了很好的体现。

此次发布的是位于星系M87中心的黑洞照片,这个黑洞有非常强的喷流现象,据此可以知道吸积盘大概转动的方向,因为它的方向通常而言跟喷流的方向差不多是平行的,也可以推断出喷射物质的方向,就在图右上的方向。

另外,可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前,精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

只反映了黑洞周围辐射空间分布

问:黑洞照片有经过“美图”吗?

答:这是肯定的,但是跟我们平常说的美图不一样,这是一个数据处理的过程。因为观测是在射线波段,并不是通常意义上的光学波段,所以要把这个不可见的电子射线波段转化成肉眼可见的光学波段图像,要经过一系列的转换。而且这个颜色其实是一种“伪色”,也就是假的颜色,假定不同的强度对应着不同的颜色,就能够得到一幅“伪色图”——图中的颜色很可能是科学家根据个人喜好自行设定的颜色。它不反映黑洞真实的颜色,只是反映了黑洞周围辐射的空间分布。

更多望远镜加入能探测到更多细节

问:为什么首张黑洞照片比较模糊?如何得到更清晰的照片?

答:这个清晰程度取决于多方面的因素,一方面是取决于望远镜的分辨率,可以通过提高像素点的方式,来提高清晰的程度。尽管现在的亚毫米望远镜基线已经达到了1万公里,然而空间分辨率刚达到黑洞视界面的尺寸,所以在科学家们观测的有限区域内,就相当于只有有限的几个像素。

在《星际穿越》电影当中,天文学家基普·索恩设想的黑洞形象——包括吸积盘的许多具体细节——都通过技术手段呈现了出来,然而在真实的情况下,我们在照片中只能看到吸积盘上的几个亮斑而已。

另外,现在可以观测的望远镜个数非常有限。如果未来将更多望远镜加入到这个阵列,我们就能探测到更弱的辐射区域,看到更多的细节,得到一张更加清晰的黑洞照片,更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制,完善对星系演化的认知与理解。

气体散射影响银河系黑洞观测结果

问:此次公布的是M87的黑洞照片,科学家事实上还观测了银河系中心黑洞SgrA* 的数据,为什么没有公布出来?

答:M87中心黑洞附近气体活动比较剧烈,我们之前已经观测到了它所产生的强烈喷流,相较之下,银河系黑洞的活动不那么剧烈。

另外一个很重要的原因是,太阳系处在银河系的银盘上,在我们试图利用视界面望远镜探测来自于黑洞周围的辐射或光子的时候,这些光子会受到传播路径上星际气体的影响——气体会散射这些光子,将观测结果模糊化。

M87是一个包含气体很少的椭圆星系,受到的气体干扰相对少很多,科学家们可以比较顺利地进行观测。我们在大气层之内观测天体时也会有类似情况,因为大气扰动的缘故,望远镜的分辨率有时很难达到理想状况。消除星际气体散射的效应是科学家接下来需要克服的一个重要难题。

全球联网方式助力“看”到黑洞

问:四年前引力波已经让我们“听”到了来自黑洞合并的声音,为什么直到今天我们才“看”到黑洞的照片?

答:因为黑洞区域实在太小了,之前望远镜的角分辨率或者放大倍数不够大,在过去的几年中,我们才真正实现了能够看到黑洞附近区域的分辨能力。

2016年探测到的双黑洞合并产生的引力波,更让人们相信黑洞的存在。但引力波是类似于声波的“听”的方式,而电磁方式是一种“看”的方式,更加直观。所以,在2016年初引力波被直接探测到之后,视界面望远镜并没有放弃观测,以全球联网的方式,把这一探测技术推向了极致。

知识小链接

1黑洞吸积盘

黑洞周围的气体在黑洞强大的引力作用下,会朝向黑洞下落。这个过程被称作“黑洞吸积”。由于气体具有一定的角动量,这些气体下落过程中会形成一个盘,如同太阳系的各大行星轨道平面一样,这就是黑洞吸积盘。

2射电望远镜

人类首次拍到黑洞照片的EHT则是通过“甚长基线干涉技术”(VLBI) 和全球多个射电天文台的协作,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜——事件视界望远镜。

射电望远镜和光学望远镜都是观察天体发出的电磁波,而区别在于它们所接收的电磁波波长不同,射电望远镜接收的是无线电波,而光学望远镜接收的是可见光。望远镜所能分辨的最小张角,是评估望远镜的重要指标之一。望远镜的口径越大,能分辨的张角就越小。

射电望远镜观测的波长为30m—1mm,而这个波长的电磁波不会被天气所影响,射电望远镜可以透过云层,不受气象条件的影响,白天夜晚都可以观测,具有全天候工作的能力,大大扩展了人类对宇宙空间的观测范围。