江苏国际在线
人类首次“看见”的那个黑洞,有了高清头像
来源:新华日报   2021-03-31 10:05:00
科学家为我们解开“新头像”背后的秘密。

2019年发布的首张M87超大质量黑洞照片

此次发布的M87超大质量黑洞在偏振光下的影像

2019年4月10日出版的《科技周刊》预告黑洞照片发布

2019年4月10日世界首张黑洞M87照片发布

2020年4月初,EHT项目拍摄的3C279黑洞喷流照片问世

还记得2019年4月10日,“事件视界望远镜”(简称EHT)项目发布的人类有史以来获得的第一张黑洞照片吗?一个中心为黑色的明亮环状结构,看上去有点像甜甜圈,它是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞。

今年3月24日,捕捉到黑洞照片的事件视界望远镜合作组织又为揭秘M87超大质量黑洞提供了一个崭新视角:它在偏振光下的影像。《科技周刊》记者连线参与该国际合作的中方科学家,请他们为我们解开“新头像”背后的秘密。

偏振光影像:“一条左右上下摆身体的鱼”

EHT项目是一个以观测星系中心超大质量黑洞为主要目标的计划,其主要观测目标是银河系中心黑洞以及与之类似的近邻星系中心黑洞。2019年,EHT公布了世界首张黑洞照片,不过当时的照片细节模糊,仿佛近视者摘下眼镜观看;而今年3月24日公布的同一张黑洞照片结构更加细腻——如同一朵逆时针旋转的烟花。

“这是一张M87黑洞的流量总强度图。和2019年EHT发布的首张黑洞照片相比,本次发布的照片看起来更高清,清晰度和细节更清楚。”参与该国际合作的中方科学家、中国科学院上海天文台台长沈志强解释,这并不是EHT升级了望远镜阵列,它其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测,但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的,所以称之为“黑洞在偏振光下的影像”。

什么是偏振光?沈志强告诉《科技周刊》记者,首先要理解光偏振的概念,一般生活中的光,比如太阳光、白炽灯光等,振动在各个方向是均匀分布的,称为非偏振光。而偏振光就类似于一条鱼在海里游,可以像带鱼一样左右摆身体,也可以像海豚一样上下摆身体。偏振光的产生可以通过多种方式实现,常见的方法是让非偏振光通过一个偏振片,只让沿着某特定方向偏振的光波通过。

偏振光概念其实理解不难。世界首张黑洞照片“拍摄”团队成员,江苏省天文学会理事、南京大学天文与空间科学学院教授、博导李志远打了个比方:比如你站在房间里,房间里有一个窗户被竖条的保险窗拦住,你手里有一块又圆又扁的大饼,你想把这个大饼移到窗外,只能把大饼竖起来顺着栏杆的方向传递出去,否则大饼就会被卡住。而黑洞周围的光就类似于这个大饼,如果在光路上放一个“保险窗”,那么只有与“保险窗”栏杆顺向偏振方向的光子才能逃逸出来,别的偏振方向的光子会被减少或挡住,与栏杆垂直的偏振方向上的光子则完全不能通过。

偏振的概念听起来离生活很远,但是已经有很多日常应用。李志远举例,当摄影师拍摄水中的鱼时,如何滤掉水面“波光粼粼”的反射光?只需要在相机镜头前加一片旋转偏振滤镜即可。再比如我们观看3D电影时佩戴的偏振光3D眼镜,每个镜片只允许特定的偏振光通过,左右镜片的偏振光偏振方向互相垂直,它们携带的成像信息略有差别,这样最后我们看到的就是立体的3D图像。

拍摄黑洞偏振影像的“相机”:分布世界八地

世界首张黑洞照片公布后,EHT合作组织开始深入研究黑洞的数据,他们发现,M87黑洞周围的相当一部分光是偏振的。

黑洞的偏振光影像是如何获取的呢?沈志强说,在射电天文领域,我们接收到的大部分天体信号是偏振光,但是偏振光包含大小和方向多个矢量,这就会导致望远镜接收到的偏振特征会因叠加效应而被削弱。幸运的是,这两年时间里,EHT项目组掌握高分辨本领,让科学家们能够分解开这些致密区域;望远镜的观测波段设置在短毫米波段,大大削弱了法拉第旋转效应(在光的传播方向平行方向上施加磁场,会发生光偏振方向旋转)的影响。

此次获取的M87黑洞偏振图像与首张黑洞照片来自于同一次成像观测,其“诞生”时间推迟了两年。对此,沈志强解释,EHT是一个分布在世界多地的8个射电望远镜组成的虚拟望远镜,黑洞偏振影像的获取需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理,其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数,指各个台站实际接收偏振信号时,原本期待接收两路“干净”的偏振信号,但实际上接收的其中一路偏振信号,难免会“掺杂”有另一路偏振的信号,而这个校准过程耗费了大量的时间。

2019年7月,EHT在德国马普射电天文研究所召开了偏振校准工作会议。在此后约两年时间里,天文学家们开展了艰苦的工作,开发了多种数据处理方法,终于获得了这幅最新发布的黑洞偏振图像。参与此次EHT的科研人员多达300名,其中中国大陆学者共16人。作为参与EHT项目的大陆科学家中唯一的“江苏面孔”,在EHT合作中,李志远主要从多波段观测角度开展辅助研究,他和研究团队利用X射线数据分析了银心黑洞可能存在的喷流。

EHT合作成员、中科院上海天文台副研究员江悟回忆,工作小组每周要开两次电话会议,为协调各国组员的工作时间,中国科学家往往需要在晚上10点到凌晨1点上线开会。这其中,还发生过一个小插曲:由于一开始用预选的校准源来对M87的偏振数据进行校准测试,并没有得到预想的结果,大家都开始担心起来。直到会期中间,替换了另外的校准源,且直接用M87的观测数据本身做偏振校准,结果不同的小组利用不同方法都得到了非常一致的偏振图像,如此漂亮的结果令所有人兴奋不已。

黑洞研究又一个里程碑:未来有望看到动态“甜甜圈”

“从观测上直接接近黑洞的边缘,从而在几个史瓦西半径(目力所及的最远处)的尺度上不断探索黑洞周围的时空特性和物理过程,这代表着人类认识宇宙手段的一大突破。”中国科学院上海天文台副台长袁峰研究员说,新影像的意义对于解释M87星系如何从其核心向外传播能量巨大的喷流至为关键,这也是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息,同时对于推断吸积盘的模型有所帮助。

“不过目前的EHT阵列中,望远镜数目仍然较少,基线覆盖还比较稀疏。”沈志强坦言,由于银心黑洞受到星际散射的影响以及相比目前成像所需时间(数个小时)要快得多的结构变化,成像并非易事。他透露,EHT合作在M87黑洞首次成像后,提出了下一代EHT计划——ngEHT,计划在近10年内完成。ngEHT计划通过在地球上布设更多的亚毫米波望远镜,增加观测灵敏度及频率覆盖等来提升黑洞成像的质量并提供更多观测信息,尤其是要提升成像速度以进一步制作黑洞“动画”电影。

同时,国际上也在探讨、预研空间亚毫米波阵列,以此进一步提升黑洞成像的质量及效率。由于地球的自转,东亚地区的台站将会是拍摄黑洞动画所需的成像接力中不可或缺的部分。目前,日韩等国都已在积极致力于这一国际努力。例如,韩国目前正在平昌建设新的亚毫米波望远镜,有望在未来几年内加入EHT阵列。实际上,由于中国幅员辽阔并且存在优良的亚毫米波望远镜台址(如西部地区),若是在这些地区布设亚毫米波望远镜的话将会提供黑洞成像/摄像所需的独特基线覆盖。

“中国积极参与到黑洞成像这一国际合作项目,在黑洞成像/摄像开展得如火如荼的今天,期待我国能够早日拥有一台真正属于自己的亚毫米波望远镜及阵列。”沈志强说。

记者手记

两年前的4月10日晚上,本报记者见证了世界首张超大质量黑洞M87照片的诞生。在中国科学院上海天文台的新闻发布厅,虽然脑海里想象过无数次黑洞的样子,但当黑洞照片露出真容的时候,内心还是备受震撼。当“甜甜圈”的照片在全球各个媒体上刷屏,整个世界都变得沸腾。

从1873年对黑洞的猜想首次提出开始,一百多年来,黑洞令人类魂牵梦绕。何其幸运!我们是有幸第一批看到黑洞的人类。从科学意义上说,这也是继人类首次探测到黑洞引力波之后,对爱因斯坦广义相对论的又一有力验证。当时在现场,我们还见到了参与EHT项目的“江苏面孔”——江苏省天文学会理事、南京大学天文与空间科学学院教授李志远,我们在专访中也很骄傲:EHT项目中江苏乃至中国科学家的参与,代表着国际对于中国天文研究的认可。

随后,《科技周刊》始终关注EHT项目的进展。1年前的4月份,人类历史上第二张黑洞3C279照片问世,这张照片同样由EHT事件视界望远镜拍摄,不同的是,这张照片显示了黑洞正在往外猛烈喷射大量物质——等离子喷流。作为有史以来被拍到的最高分辨率的喷流,这张照片突破了天文学家假想,揭示了喷流底部似乎是弯曲的,虽然是第二张照片,但它依旧颠覆了人类的认知。

今年又到鸟语花香时节,EHT项目再次传来震撼消息,M87黑洞的偏振影像问世,一个又一个重磅成果的发布在大众认知的“水面”上激起一圈又一圈的涟漪,这代表着科技无止境,人类多渺小!虽然渺小,但人类对宇宙的探索依旧执着。期待EHT项目发布更多新动态,相信黑洞的“洋葱皮”被一层一层剥开,宇宙形成与演化秘密将逐渐揭开面纱,探索生命的起源和发展,人类的脚步从未停歇。(记者 张 宣

标签:科技

责任编辑:刘慧

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