銀河系自己的黑洞太活躍,第一張黑洞照片拍的是更遠的M87
銀河系中心黑洞質量小、物質繞轉週期只有半小時,一夜之內形貌就會變;M87黑洞重達60億太陽質量,同一夜觀測裡幾乎靜止,反而更容易成像。
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黑洞不是旁觀者,是星系的塑造者
黑洞一度被當作宇宙裡孤立的邊緣奇觀:確認存在之後,人們曾覺得它們只是「宇宙裡也有這麼個東西」,並不起眼。但主持人指出事實相反——黑洞對星系的形狀、大小乃至宜居區域的分布都有調控作用,而且幾乎可以肯定,長期來看物質最終都會被捲入黑洞,它們不僅塑造了星系的過去,也決定著未來的走向。
— Jana Levin黑洞太小,必須把地球變成鏡片
望遠鏡的角分辨率等於觀測波長除以鏡面口徑,口徑做不大就只能把波長壓得更短。黑洞是愛因斯坦引力理論預言的最小天體,團隊因此被迫把觀測頻率推到當時從未用過的230千兆赫茲,同時把「鏡面」做成地球那麼大——兩件事同時逼近極限,這正是項目耗費二十年才突破的根本原因。
— Shep Doleman沒造新設備,是借遍全球天文臺
事件視界望遠鏡沒有建一臺全新設備,而是說服南極、智利(兩處)、墨西哥、夏威夷(兩處)、亞利桑那(兩處)、西班牙、法國的已有射電天文臺,臨時加裝自家記錄儀器,用這些臺原本不是為此設計的方式操作,錄完數據就帶著硬盤離開,幾個月後才告訴對方結果。靠連續幾年拿出階段性成果,才慢慢說服各臺把鑰匙交出來。
— Shep Doleman質量與距離的巧合讓兩個黑洞一樣大
銀河系中心黑洞質量約為太陽的400萬倍,距地球2.7萬光年,視界角直徑只有約50微角秒,相當於站在紐約能看清遠在洛杉磯朋友手裡一枚硬幣上的年份。M87黑洞質量達太陽的60億倍,但距離也是銀河系黑洞的約2000倍,兩個因素正好抵消,使它呈現出幾乎相同的視角大小,這才讓同一臺「地球望遠鏡」能把兩者都分辨出來。
— Shep Doleman越重的黑洞,反而越好拍
發布會公布的第一張黑洞照片不是銀河系自己的人馬座A*,而是5500萬光年外的M87,這讓在場記者都沒想到。原因在於人馬座A*只有400萬倍太陽質量,物質繞它公轉一圈只要半小時左右,一整夜觀測期間它的樣子本身就在變化;M87重達60億倍太陽質量,同樣的物理過程被拉長,一夜之間它幾乎是靜止的,因而更容易拼出清晰圖像。
— Shep Doleman四組人互不通氣,才敢說那個環是真的
團隊擔心大家都盯著同一張圖、互相說服自己看見了環,於是把數據分給四個互不通氣的獨立小組,各用不同算法成像。2018年7月,四組人同時在哈佛黑洞研究所地下室亮出結果——全是環。隨後又花六個月,故意只用非環狀結構訓練算法,結果算法重建出的還是環,這才讓團隊確信這個環確實是真實信號,不是算法或人的偏見造出來的。
— Shep Doleman下一步:把黑洞照片拍成電影
下一代項目的目標是把黑洞從靜態照片變成動態電影,關鍵是在智利、墨西哥、懷俄明、加那利群島之外,再加上坦桑尼亞乞力馬扎羅山上的臺站——望遠鏡數量每增加一個,連接數按平方增長,成圖速度會大幅提升。加那利群島臺站的資金已經到位,團隊也兩次登頂乞力馬紮羅選址,但明確表態:只要當地社區有一處不同意,答案就是不建,這是硬性前提,預計本世紀三十年代初才能真正拍出電影。
— Shep Doleman下一個目標:排除「不是黑洞」的可能
黑洞電影的價值不止好看:追蹤偏振光可以看到環繞黑洞的磁場形態,從而檢驗黑洞如何甩出那些高速噴流。更關鍵的是,團隊已經開始把事件視界望遠鏡的觀測和紅外觀測結合起來,給「黑洞冒充者」——那些表面比事件視界略大、理論上會在紅外發光的緻密天體——設定排除上限,逐步把廣義相對論之外的替代解釋排除出去。
— Shep Doleman原話 · 已逐字校驗
black holes are remarkably elegant, clean, simple systems.
黑洞其實是非常優雅、乾淨、簡單的系統。
Shep Doleman1:05
that they're the darkest phenomenon in the universe. They figure out a way to become the brightest beacons that we see on the edge of what's observable.
它們是宇宙中最黑暗的現象,卻想方設法變成了我們在可觀測邊界上看到的最明亮的燈塔。
Jana Levin2:07
So we split our teams up into four groups. Each group had the data, but they could not talk to each other.
所以我們把團隊分成四組,每組都有數據,但彼此不能交流。
Shep Doleman38:19
And the four teams put up their images, and they were all rings. That was a moment where there was a lot of crying and screaming.
四個團隊把各自的圖像放出來,全都是環。那一刻有很多人又哭又叫。
Shep Doleman39:20
I live for putting steel on mountaintops.
我活著就是為了在山頂上立鋼鐵結構。
Shep Doleman45:51
no is an acceptable answer, full stop.
「不」是一個可以接受的答案,沒有商量餘地。
Shep Doleman46:52
If it's spinning maximally, the fastest it can ever spin, you see the same ring, but it's just about 4% smaller.
如果黑洞以能達到的最快速度自轉,看到的環還是一樣的環,只是小了大約4%。
Shep Doleman47:55
the ability to coax this image from the black hole when it does everything in its nature not to be seen is really special
黑洞的本性就是不想被看見,而能從它身上哄出這張圖像,這種能力真的很特別。
Shep Doleman54:08
數字與實體
| EHT正式成立為機構 | 2016年 | 20:39 |
| 人馬座A*質量 | 約為太陽的400萬倍 | 26:52 |
| 人馬座A*事件視界角直徑 | 約50微角秒 | 26:52 |
| M87黑洞質量 | 約為太陽的60億倍 | 27:57 |
| M87距地球 | 5500萬光年 | 27:57 |
| 團隊規模 | 250人 | 36:11 |
| 人馬座A*物質繞轉週期 | 不自轉時約半小時,極速自轉時約4分鐘 | 48:56 |
術語
- VLBI (Very Long Baseline Interferometry)甚長基線干涉測量
- 用原子鐘同步全球多臺射電望遠鏡的信號併合成,等效造出一臺地球大小的望遠鏡。
- event horizon事件視界
- 黑洞周圍光都無法逃逸的邊界,是人類能夠觀測到的黑洞輪廓。
- black hole mimicker黑洞冒充者
- 比事件視界略大、有固態表面但引力表現酷似黑洞的假想緻密天體。
- frame dragging參考系拖拽
- 自轉黑洞拖拽周圍時空一起旋轉的廣義相對論效應,用於測量黑洞自轉。
收聽指南
對黑洞成像、大型國際科研協作感興趣的天文愛好者、科研管理者,以及想了解下一代「黑洞電影」項目進展的人。
開頭1分鐘是另一檔播客的廣告片段,可以跳過。