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财经报道 黑洞“原形”图鉴:从手绘图到标准照,见证40年来技术变革

发布时间:2019-07-29       点击数:199

集全球众个天文台站与科学家之力,人类终于看见了距地球5500万光年之外的黑洞“原形”。

从1979年第一张黑洞手绘稿问世,到2019年第一张黑洞照片发布,经历了整整40年。先辈的探测技术和数据处理手段让人类印证了科学的想象与实际之间,正本能够如此挨近。

像极了40年前的黑白手绘稿

首张黑洞照片于4月10日21时在中国上海和台北等全球六地同时发布。该黑洞图像展现了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中央的黑洞。该黑洞质量为太阳的65亿倍。照片乍看上去像不那么规则的甜甜圈,或火炉中的煤火。外圈是橙红色光晕,中央的黑弱区域即为“黑洞阴影”。

各栽角度看发光物质形成的黑洞吸积盘

“事件视界看远镜(Event Horizon Telescope,EHT)拍摄到的这张黑洞图片,从任何角度来看,不论是形状照样颜色,都像极了1989年基于吾的一张黑白手绘稿用计算机模拟出来的图片。”

4月11日,法国天体物理学家、现任法国国家科学钻研中央(CNRS)主任、第一张黑洞模拟图撰稿人让-皮埃尔·卢米涅(Jean-Pierre Luminet)在看到首张黑洞照片后,向第一财经记者发来了如许一段话。

黑洞面纱被揭开,也印证了包括《星际穿越》等益莱坞科幻片中对黑洞的想象。

“人们惊讶于图片竟然与理论计算的模型如此相反,喜欢因斯坦现在来看再次被表明是对的。”参与EHT项主意英国伦敦大学学院尤尼斯(Ziri Younsi)博士说,这一图像与理论物理学家亲善莱坞导演们所设想的黑洞相通。他外示,“固然黑洞是专门浅易的物体,但是引发人类对宇宙和自然的思考是最为深层的,甚至相关到人类的终极存在。”

一百年前,喜欢因斯坦广义相对论挑出后不久,便有科学家探讨了黑洞周围的光线曲曲形象。上世纪70年代财经报道,詹姆士·巴尔蒂恩(James Bardeen)及卢米涅等人计算出了黑洞的图像。

卢米涅回忆道:“首张黑洞图的绘制做事要追溯到1972年财经报道,那时在法国莱苏什(Les Houches)的夏日私塾里财经报道,巴尔蒂恩钻研分析了克尔黑洞(Kerr black hole),并计算出黑洞的自转如何影响事件视界投影的形状。他的效果是当黑洞自转挨近角度峰值时,会形成一个D形状的阴影。”

1978年,那时照样巴黎默东(Paris Meudon)天文台别名年轻钻研员的卢米涅最先着手绘制黑洞事件视界的第一幅“肖像”。他倚赖本身的数学背景,行使一台上世纪60年代的IBM 7040穿孔计算机,首次模拟出黑洞的样子。

不过由于那时并异国先辈的绘图柔件,卢米涅决定手无寸铁绘制这幅超高难度的黑洞图。“吾从电脑中导出数据文件,将坎森纸负片行为底片,用墨汁一点点涂上去,在模拟图像表现亮度高的地方浓密地点上墨汁。”至今回忆首来,卢米涅照样觉得这是一个费力的活。

他说道:“接下来,吾再用一张负片将黑白进走逆转,如许正本墨浓的地方就变白了,正本背景亮的地方就变黑了,末了形成了一张看上去并偏差称、但相符科学的视觉化黑洞图像。”

1979年,这张手绘图终于诞生。

卢米涅手绘的首张展现黑洞事件视界的图像。

“超算”女博士立大功

但是今天,爱拼官网科学家再也不必像40年前的卢米涅相通费力地手工“洗照片”了。

从给黑洞“拍照”到“洗照”,爱拼整个过程都在计算机的大数据超性能计算处理中实现了,从看远镜搜集数据,再将数据导出到移动硬盘,到相关比对、参数拟相符到终极成像导出人们所看到的黑洞图,整个过程几乎通盘由计算机处理。

“这在十年前是无法想象的,但是今天吾们做到了。” 哈佛-史密松森天体物理中央(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的谢泼德·众尔曼(Sheperd S. Doeleman)教授外示,“技术的突破、世界上最益的射电天文台之间的配相符、创新的算法都汇聚到一首,掀开了一个关于黑洞和事件视界的崭新窗口。”

尽管有超算协助,但计算过程照样消耗了科学家们近两年的时间。最大的挑衅在于,如何把重达半吨的巨量数据相符成一张黑洞照片。

中科院上海天文台路如森钻研员对第一财经记者外示:“这是一个汇聚了十几台站看远镜阵的项现在,每台站又有许众个看远镜构成,几天内产生的不都雅测数据相等于欧洲核子钻研中央(CERN) 一年的数据量。对于如许一个复杂事件的展现,科学家会分成自力的做事组,每一个做事组会有迥异的幼组进走处理,参与数据处理,进走比对。”

据晓畅,由于各个看远镜不都雅察到的数据量添首来足有3600TB,换算成电影大幼要几百年才能看完,所以这些数据无法经由过程网络传送,就只能被存储在移动硬盘里直接运去美国波士顿和德国波恩的数据处理中央,并由麻省理工学院和马克斯-普朗克钻研所(相通中科院的钻研系统,下称“马普所”)等机构开发出崭新的算法,添速数据分析。

为此,这个国际配相符项现在邀请了数据科学家参与,共同完善这项“洗照片”的义务。

其中一位名叫凯蒂·伯曼(Katie Bouman)的麻省理工学院女博士生所做的做事,对于整个项主意贡献引人注现在。

伯曼收到大量来自世界各地看远镜发来的数据。

年轻的伯曼带领了一支算法团队开发了一套新的计算手段。她的义务是把从世界各地搜集来的硬盘数据转化成一走走的代码。这个做事让人联想到了1969年为阿波罗11号登月准备代码的女科学家玛格丽特·汉密尔顿。

EHT科学委员会主席、来自荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克(Heino Falcke)在布鲁塞尔的发布会上外示:“一箱一箱承载着黑洞照片的数据硬盘被送到美国麻省理工和波恩的马普所,处理这些数据必要大量的做事。”

伯曼挑出了CHIRP的算法,经由过程干涉重修黑洞。她发明的算法最重要的贡献在于,行使众台看远镜的效果做互相相关从而抵消迥异大气环境所导致的测量时间差,也就是所谓的“噪声”。

马普所博士后张渊皞曾参与引力波数据分析。他对第一财经记者注释说:“来自黑洞倾向的无线电信号是相关的,但每台看远镜所在位置产生的偏差又是自力而不相关的,倘若用众台看远镜相乘的效果让噪声抵消,那么时间差就能被修整,并终极抵消时间差的‘噪声’。”

长达20年的期待

此次科学家选中的黑洞拍照对象是M87中央的黑洞,这个黑洞也被公认为宇宙中的“黑洞之王”。它距离吾们5500万光年,直径足有400亿公里,是地球的300万倍;质量是太阳的65亿倍,甚至大过整个太阳系,科学家称之为“怪兽”。

令人不料的是,此前呼声更高的人马座A*黑洞图片却遭遇“跳票”。

对此,法尔克教授在布鲁塞尔的发布会上注释称:“人马座A*黑洞就像一个顽皮的婴儿,动得太快,不幸于图像的捕捉。吾们认识到这一点后,就把重要精力都放在了M87黑洞上。”

法尔克行为“黑洞拍照”项主意发首人,为这镇日期待了20年。20年前,他在做钻研时就发现,在黑洞周围能够会产生某栽射电波,从地球上的看远镜能够发现这栽强波。他还回忆首1973年读到过的一篇文章称:这栽强引力能够让黑洞看首来比实际大2.5倍。

为了表明本身的判定,法尔克说服了欧洲钻研理事会(European Research Council),申请到经费来资助这一项现在,后来美国国家科学基金会(NSF)和东亚资助机构也添入其中,总资助金额超过4650万欧元(约相符3.52亿元人民币)。

EHT科学委员会主席法尔克

“这是一个漫长的旅程,但终极吾亲眼看到了。”法尔克说。正如滚石笑队的“灵魂”米克·贾格尔所说——你不能够永久得到你想要的,但倘若你试一下,说不定正益找到你所必要的。

但是单个看远镜隐微无法完善这一壮举,法尔克随后找到了哈佛-史密松森天体物理中央的众尔曼教授来主导全球联网不都雅测。

他们动用了全球8个台站的毫米波看远镜构成干涉阵列,打造了一个超级巨无霸“相机”——虚拟的事件视界看远镜(EHT)。这些看远镜被分布活着界最冷僻的角落,包括夏威夷的火山、亚利桑那州的高峰、智利的荒漠以及冰天雪地的南极。

为了这一激动人心的探索,中国科学院天文大科学钻研中央(CAMS)也添入了阵营——CAMS由中国国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同竖立,是EHT的三大配相符机构之一。详细则由上海天文台牵头机关,和谐国内学者经由过程该配相符机构参与此次EHT项现在配相符。

中科大物理学院天文学系教授袁业飞对第一财经记者外示:“中国科学家采用的是1.3毫米的射电看远镜不都雅测,不光在EHT的联网不都雅测上面有贡献,而且在数据分析上也相关键性的贡献;更重要的是许众中国科学家来自夸学,他们的贡献也来自理论方面,包括怎么从理论方面解析不都雅测天文学家的不都雅测效果。”

尽管此次发布的M87黑洞成像图已专门挨近完善地表现出黑洞的样子,不过对于一些谋求极致的天文学家而言,它的模样照样不足清亮。

“暧昧是由于事件视界看远镜的分辨率还不足益。”《星际穿越》科学顾问、诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩做出了如上注释。EHT钻研人员也已外示,随着异日更众看远镜的添入,以及看远镜本身性能的改善,异日科学家们会得到更添“高清”的图片。

  【环球网报道 记者 李姗岚】俄罗斯联邦调查委员会当地时间2月27日发表声明称,乌克兰执法机构对参与2018年刻赤海峡行动的7名俄罗斯军人展开刑事调查,将他们置于刑事责任之中,俄方将就此事对乌克兰安全局敖德萨州高级调查员亚历山大•古布斯基,以及乌克兰南部地区副军事检察官罗曼•姆罗奇科(音译)提起刑事诉讼。

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