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給黑洞拍照的年輕人

2023-05-22 11:53:41 來源:中國青年報

還記得4年前發(fā)布的那張M87黑洞寫真照嗎,酷似一個“甜甜圈”。如今,經過科學家的努力,黑洞有了全景照,從“甜甜圈”變成了“雞爪子”。

16臺射電望遠鏡連起來,組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。這是人類首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環(huán)狀結構進行成像,可以說拍到了黑洞的全景照,乍一看像“雞爪子”。圖像表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系,相關成果近日在國際學術期刊《自然》發(fā)表。

完成這項工作的,是由中國科學院上海天文臺研究員路如森領銜的國際合作團隊,成員來自17個國家和地區(qū)、64家研究單位,共計121位。團隊中不乏一些80后、90后的身影,記者采訪了這個充滿朝氣的年輕團隊,聽聽他們給黑洞拍照背后的故事。


(資料圖片僅供參考)

“這是星際旅行中會看到的風景”

在這張最新的全景照上,有黑洞,有黑洞周圍的吸積流,還有從吸積盤附近延伸向遠處的噴流“尾巴”。M87黑洞在這張3.5毫米的圖像上,呈現(xiàn)出令研究者感到意外的“甜甜圈”形態(tài),比此前那張在1.3毫米拍攝到的舊“甜甜圈”大了近50%。

“可以想象一下,假設我們在進行星際旅行,在朝著我們的主角M87黑洞前進,那這張照片呈現(xiàn)的,就是我們在旅程上所看到的風景。”論文第一作者路如森說。

新照片的拍攝時間是2018年4月14日至15日,被拍攝的對象M87黑洞,位于梅西耶87星系,即室女座星系團中央巨橢圓星系的中心,距離地球約5500萬光年,是太陽質量的65億倍。它有著長達5000光年的噴流,“非常上相”。

“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流,但現(xiàn)在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖?!甭啡缟f,“我們之前看到的環(huán)狀結構在3.5毫米波長變得更大、更厚。這表明在新的圖像中,可以看到落入黑洞的物質產生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程?!?/p>

據(jù)他介紹,黑洞周圍的物質,被認為是在吸積的過程中落入黑洞的。在這之前,從來沒有人直接對它進行過成像。

這一回,參與拍攝的望遠鏡包括全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)的14臺射電望遠鏡,位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA),以及位于格陵蘭島的格陵蘭射電望遠鏡(GLT)。

據(jù)研究團隊介紹,GMVA測得的環(huán)狀結構直徑為64微角秒,相當于“月球上的宇航員回望地球時,看到一個13厘米的環(huán)形補光燈”的大小。

“觀測波長越短,觀測條件對天氣的要求就越高。每年的觀測時間都是相當有限的,觀測時間的申請也競爭得非常激烈,團隊要代表這個領域最前沿的水平。”中國科學院上海天文臺副研究員江悟對中青報·中青網(wǎng)記者說。

江悟的工作是對觀測到的數(shù)據(jù)進行處理。據(jù)他介紹,拍照時需要全球范圍協(xié)同觀測,所以,要求所有臺站的觀測天氣觀測條件都合適,綜合考慮下來,最合適的時間通常是4月,“南北兩個半球都適宜”。

他告訴記者,在爭取到“巨無霸”級的望遠鏡ALMA加入觀測陣列后,整個團隊的人,都對拍攝結果“抱有很高期待”。

在對數(shù)據(jù)進行處理后,“前所未有的新特征”被呈現(xiàn)了出來,這讓研究團隊的成員都倍感興奮。在這之前,很多人認為在這個波長上不會看到“甜甜圈”。路如森承認,就連他自己也沒有想到。

“通過在GMVA觀測中加入ALMA和GLT,大大提高了成像能力,我們獲得了一個新的視角。我們確實看到了我們在早期VLBI觀測中了解到的三齒狀的噴流。”位于德國波恩的馬普射電天文研究所的托馬斯·克里奇鮑姆說,“現(xiàn)在我們可以看到噴流是如何從中央超大質量黑洞周圍的環(huán)狀結構中出現(xiàn)的,而且我們現(xiàn)在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環(huán)狀結構的直徑?!?/p>

“要用物理學的方式來解釋‘甜甜圈’”

來自M87黑洞的射電輻射,是由高能電子和磁場的相互作用產生的,這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長,新的觀測結果揭示了有關這些電子的位置和能量的更多細節(jié)。它們還告訴研究者一些關于黑洞本身的性質:它不是“很餓”,消耗物質的速度很低,只將其中一小部分轉化為輻射。

此外,在靠近黑洞的內部區(qū)域,輻射的寬度比預期的要寬。這可能意味著黑洞周圍不僅僅有氣體落入,也可能“有一股風吹出來,造成黑洞周圍的湍流和混亂”。

為了解這個更大、更厚的“亮環(huán)”的來源,研究者們不得不使用計算機模擬測試不同的情況,最終得出結論,“亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關”。

在將“生數(shù)據(jù)”處理成“熟數(shù)據(jù)”的過程中,研究團隊前后做了4次相關分析,“克服來來回回返工的煎熬”,最終得到了最可靠的“熟數(shù)據(jù)”。

從“熟數(shù)據(jù)”重建觀測圖像,也遇到了“前所未有的挑戰(zhàn)”。新照片是一張視場很大的圖像,里面包含著許多成分,且這些成分的亮度差異很大。團隊匯聚了遍布全球各地許多合作者的經驗,在各種嘗試和反復驗證之后,最終克服了這些困難。

陣列中的格陵蘭望遠鏡,是一臺新的射電望遠鏡,參與觀測時還在調試階段。在觀測過程中,這臺望遠鏡的相位旋轉器配置錯誤。團隊是在事后才發(fā)現(xiàn)這一問題,不得不在處理數(shù)據(jù)時,專門開發(fā)特別的算法來解決這個問題。

楊海是中國科學院上海天文臺團隊里最年輕的成員,他的工作就是用物理學的方式,“想辦法去解釋”觀測到的數(shù)據(jù)。他是一名90后,是黑洞吸積與高能天體物理研究組的一員,也是研究員袁峰的學生。

“我們得到黑洞噴流的運動速度、密度,還有旁邊磁場強度這些數(shù)據(jù),然后用計算機模擬它到底長什么樣。最后思考它的理論模型怎么構建,找出它的理論解釋?!睏詈χ星鄨蟆ぶ星嗑W(wǎng)記者說。

2014年,電影《星際穿越》上映時,一向對科幻感興趣的他坐在電影院里,面對大熒幕上模擬出來的黑洞深感震撼。當時的他并沒有預料到,沒過幾年,自己的工作會與黑洞息息相關。但對天文學、黑洞的興趣,于他而言卻一如既往。

作為該領域的“新手小白”,楊海跟隨老師們給黑洞拍照,在這個過程中,他難免緊張,在團隊的群里基本不用年輕人常用的那些表情包,也盡量不說時下流行的網(wǎng)絡語言。

不過在線下討論時,這位90后反而沒那么緊張了。他會大膽地提出自己的想法,然后認真聆聽老師們的意見,“告訴我這樣做好不好,是否值得花時間嘗試”。

從家到單位,楊海保持著兩點一線的生活,也保持著坐在基礎研究“冷板凳”上的耐心。偶爾他也會注意到,有同學畢業(yè)后進了技術類的公司,拿著比他高幾倍的工資。他的內心并不會因此起太多波瀾,他認為,研究上能出成果,對他而言更加重要。

“將來我們還要給黑洞‘拍電影’”

用路如森的話說,后續(xù)的工作,還包括給M87黑洞“拍動畫”,甚至“拍電影”。

人類將目光投向M87,最早可以追溯到1781年。彼時,法國天文學家夏爾·梅西耶發(fā)表了著名的梅西耶星表,里面包含103個星云狀的天體。梅西耶以字母M加數(shù)字為這些天體命名,M87就是其中之一,其含義為“梅西耶星表中的第87個天體”。

然而直到100多年后,人類才意識到M87并不是星云,而是一個星系。天文學家看到“一束奇怪的直射線從一片朦朧的光斑中心發(fā)出”,那是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。而事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)2017年成功拍攝到M87星系中心超大質量黑洞的照片,則又是一個世紀之后的事了。

人類對仰望星空的過程充滿好奇心,也歷盡艱辛,但從未停止。對M87的探索,也并沒有結束。

“此次展現(xiàn)的3.5毫米波長圖像,可以說代表了當前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準直傳播的物理機制之謎,我們需要拍攝更多色的高質量圖像,包括在0.8毫米或更短的亞毫米波波長的黑洞照片,以及在長至7.0毫米波長的黑洞和噴流的全景圖像,未來非常令人期待。”中國科學院上海天文臺臺長沈志強研究員說。

進一步的觀測和更強大的射電望遠鏡陣列,將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。未來,毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變,并通過結合不同顏色的“射電光”圖像,來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。

“這次我們用到的毫米波技術,在通信等領域,都是可以用上的;望遠鏡建造也涉及結構、機械設計等方面的前沿技術,未來也可以轉化。從這個角度上說,我們現(xiàn)在做的很多工作,在促進科學應用方面是有幫助的?!苯驅χ星鄨蟆ぶ星嗑W(wǎng)記者說。

江悟是一名從事科研工作10多年的80后,在他看來,基礎研究跟現(xiàn)實生活之間,往往是看上去沒什么關系,實際上只有基礎研究不斷往前推進,才能帶動最前沿、最先進的技術發(fā)展,并以此改進人類的生活生產方式。

江悟也曾參與首張黑洞照片的“拍攝”,如今又獲得了噴流整體圖像的新照片。他覺得,這些年的經歷對他來說“很特殊”。

“我喜歡追究事物的本質,更希望去進行基礎研究?!彼麑τ浾吒锌叭绻易龅墓ぷ?,能夠對這個領域有一定的貢獻,還能取得一定的科學成果,這就是最讓我滿足的事了?!?/p>

中青報·中青網(wǎng)記者 張渺 來源:中國青年報

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