当地时间10月6日,瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松宣布,将2020年诺贝尔物理学奖一半授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),“因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”。另外一半授予莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez),因为在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体,总奖金为1000万瑞典克朗(约合760万人民币)。
这一回科普作者可轻松了,把前两年关于黑洞的科普再拿出来发一遍就可以了。之前我做过N期关于黑洞的科普视频和文章,我们再把它们一次发出来。本期内容为第三篇:如何给黑洞拍照片?
2019年4月10日,世界上第一张黑洞照片诞生了。这个工程称为“事件视界望远镜EHT”,它凝聚了无数科学家的心血。拍摄过程中,人们调集了世界各地的数台射电望远镜,数据处理经过两年之久。
黑洞连光都能吸进去,为什么还能拍照片呢?拍一张照片为什么要花费2年的时间呢?
1瑞利判据
首先,需要给大家介绍一下望远镜的基本原理。要看清远处的物体发出的光需要两个条件:足够的光强和足够大的角度。
体发出的光线经过眼角膜和晶状体折射后,会在视网膜上成像。如果光强太弱,进入眼睛的光子不够,就不足以使视神经产生反应,所以我们首先需要将遥远物体发出的光进行收集和加强,这就需要望远镜。
其次,物体不同部位发出的光会彼此成一定角度,在视网膜上成像也不是两个点,而是两个光斑,称为爱里斑,这是由于衍射原因造成的。
假如两条光线的夹角太小,光斑距离就会特别近,如果它们的圆心距离小于半径,我们的眼睛就无法区分它们了。看起来两条光纤重合,发光物体就变成了一个点。

英国卡文迪许实验室主任、第三代瑞利男爵仔细研究了这个问题。

他指出:只有两条光线之间的夹角θ与衍射孔径D和光的波长λ满足入下关系时,光线才是可分辨的
这个关系称为瑞利判据。
例如:人的眼睛对550nm的绿光最为敏感,虹膜直径大约5mm,这样一来人的眼睛最小可分辨角为
如果光线夹角小于这个值,我们就无法分辨它们。遥远的星星不同部位发出的光进入眼睛时夹角太小,所以大部分的星星看起来都是一个点。为了增大这个角度从而看清远处物体的结构,我们也需要望远镜。
2望远镜
几百年前,人类就开始制作望远镜了。比如,伽利略就制作了一台可以放大33倍的望远镜,并用它观察到了月球表面的环形山和木星的卫星。
伽利略的望远镜使用了一个凸透镜和一个凹透镜。凸透镜的焦距长,凹透镜的焦距短,并让二者共焦点。平行光线进入物镜后向焦点汇聚,但是到达焦点之前被凹透镜恢复成平行光,实现了宽平行光变为窄平行光,光线被加强了。同时,如果入射光原本相对于眼睛的夹角比较小,经过望远镜后角度会被放大,于是人的眼睛就可以分辨了。
天文学家开普勒也发明了自己的望远镜,开普勒式望远镜使用的是两个凸透镜,也让他们共焦点,它也能够实现光线的加强和角度的放大。所不同的是,开普勒式望远镜所成的是倒像,但是这对于天文观测来讲并没有带来太大的麻烦。
折射式望远镜的缺点在于存在视差,有时候会模糊不清。为了克服这个缺点,牛顿发明了反射式望远镜。
它通过一个凹形反光面收集光线,再利用平面镜反射和凸透镜会聚实现光强和角度的放大。
不过,无论是折射式望远镜,还是反射式望远镜,都存在一个问题:它的观察通过肉眼和可见光进行,可见光的波长短,容易被大气散射,到达地面上的光微弱而不稳定。如何解决这个问题呢?人们有两种方法:
第一,既然大气散射造成了这个问题,那么就到大气外面装一个望远镜好了。于是哈勃望远镜问世了。人们躲开了大气的散射,看到了许多从未见到的景象。
第二,既然可见光会被大气散射,我们还可以使用波长较长的红外线或微波进行观测,它们更容易穿透大气层。于是,人们就发明了射电望远镜,它的基本原理与牛顿的反射式望远镜类似,只不过使用的电磁波是红外或微波。宇宙中许多物质发光并不是可见光,只有通过射电望远镜才能观察到它们。
3甚长基线干涉技术VLBI
无论是眼睛、光学望远镜还是射电望远镜,都要满足瑞利判据。而且,根据瑞利判据,最小分辨角θ=1.22λ/D,射电望远镜使用的电磁波波长λ比可见光更大,此时必须增大它的口径D,才能分辨出很小的角度。所以世界各国都在争向建设大口径的射电望远镜。例如中国贵州建设的500米口径球面射电望远镜(FAST),工作波长在0.1m左右,口径达到了500米。这么大面积的射电望远镜可以汇聚宇宙中微弱的电磁波,同时也可以分辨更小的角度。
如果用FAST观察黑洞,能不能做到呢?
比如,我们这次拍照片的黑洞是室女座的M87中心黑洞,它的直径大约1000亿公里,距离我们5500万光年。
经过计算我们可以得出肉眼观察时黑洞张角
显然,这么小的角度用肉眼是肯定分辨不开了。观察黑洞的射电望远镜工作波长大约λ=1.3mm,我们将角度和波长代入瑞利判据,可以得到望远镜口径的最小值:

也就是说,这个望远镜的口径至少要8000公里!FAST肯定做不到。地球的半径只有6400公里,怎么去建设这么大的望远镜呢?

科学家总有办法。既然一个望远镜达不到这么大口径,我们可不可以使用多个望远镜达到这个目的呢?
比如,一个望远镜口径不够,我们可以用两个相距一定距离的射电望远镜组成网络,它就相当于一个“镂空”的反射式望远镜。这样二者之间的距离就相当于“镂空”望远镜的口径了。
按照这个思路,人们组织世界各地的射电望远镜组成了“甚长基线干涉望远镜网络”VLBI,把地球变成了一个巨大的反射式望远镜。
不仅如此,科学家们还设想:如果伴随着地球围绕太阳的公转,这个VLBI的虚拟望远镜口径甚至可以达到地球的公转轨道那么大,我们终于能够看到更加遥远的宇宙了。
4

第一张黑洞照片
1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,用以解释宇宙。很快,科学家史瓦西就根据爱因斯坦的相对论计算出了一个特殊的解,这就是假如天体的质量足够大,就连光都无法逃脱,就会形成黑洞。
爱因斯坦的结论到底对不对呢?一百年来,人们验证了爱因斯坦的质能方程、狭义相对论和弱引力场中的广义相对论,发现爱因斯坦总是对的。可是在黑洞这种强引力场中,广义相对论正确不正确,还没有证实。人们迫切需要一张黑洞的照片,去进一步证实爱因斯坦的结论。
在这样的背景下,2012年,天文学家们在美国亚利桑那州开会,决定组织一批世界不同地区的射电望远镜,使用VLBI技术对银河系中心黑洞和室女座M87中心黑洞进行观测,这里面甚至包含了南极洲的望远镜。人们把这个项目命名为事件视界望远镜EHT。
2017年4月,EHT项目对两个目标进行了持续十天的观测。为了保证同步,每一个射电望远镜都配备了精密的原子钟。数据记录下来的数据有10PB那么大,大约相当于一万块1T硬盘的容量。许多天文台并没有网络,这些数据被装在特制的硬盘里,送到了美国的麻省理工学院和德国的马克思普朗克射电所。值得一提的是,由于南极洲有禁飞期,这些数据等了好几个月才从南极运出来。
处理这些数据花了两年的时间。因为原本人们并不知道黑洞是什么样子的,需要通过海量的数据通过一些方法还原到图像。这就好像公安局的画手通过受害者的描述给罪犯画像一样,如果一个画手画,他可能会往自己心中罪犯的形象倾斜,不能保证客观。于是,世界上多个小组针对数据开展了自己的还原计划,直到所有人的结果都一致了,黑洞照片才能真正与大家见面。
(微波肉眼不可见,照片颜色是人工渲染的)
还有一个小问题要解释一下。黑洞连光斗吸引的进去,我们是如何看到它的呢?
实际上,所有有质量的物体,都会造成一个引力势阱,地球就是在这个引力势阱周围运动。因为太阳的质量不够大,所以引力势阱不够深,只要物体以光速运动,就一定能脱离太阳的引力。
但是,黑洞的质量太大了,它的引力势阱也非常深。在它附近有一个范围称为视界,世界外面的光还是可以逃脱黑洞的引力,而世界里面的任何物体都无法逃脱,只能向着中心点——奇点运动。
在黑洞附近的恒星由于受到黑洞巨大的引力作用,有些物质会被黑洞吸引。这些物质会围绕着黑洞运动,称为吸积盘。而且,在它们向着黑洞运动的过程中,速度越来越快,温度约来越高,就会发出电磁波,这就是我们拍摄到的黑洞照片:视界外面的吸积盘。
有些黑洞由于磁场的影响会将等离子体向着垂直吸积盘的方向喷射出去,就形成了喷流。M87的喷流有几千光年之远,非常壮观,这在之前就已经被哈勃望远镜拍摄到了。
一张模糊的黑洞照片,凝聚了成千上万科学家的心血。人们通过数年时间,在高科技设备的帮助下,再次印证了爱因斯坦的广义相对论。一百年前,在没有哈勃望远镜和射电望远镜的时候,爱因斯坦就知道答案了。
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