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银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

作者:科学火箭叔

本期内容,非常烧脑,你要不要挑战一下呢?

那就试试吧!

话说有这么一个东西,速度快到了光速的8%,每秒24000公里,是的,不是2400,是24000!你闭上眼睛想象一下这个速度,两秒不到就能绕赤道一圈,16秒不到就能登上月球,这也太不可思议了把,那到底谁这么快呢?

它是一颗位于银河系中心的恒星。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

当科学家们把望远镜对准我们所在星系的中心,穿透重重迷雾之后,他们看到了一堆有趣的东西。

准确点说,是一堆比闪电侠跑的还快的恒星。

每秒24000公里!在这里,也就是个普通的成绩而已。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

于是,它带出了一个结论:

在银河系的中心,必然存在着一个超大质量的黑洞!它用它巨大的引力场,捕获了这些被称作是“S型星”的年轻恒星,并甩着它们,陪着自己一起玩。

好吧,别以为你是黑洞我就逮不到你了。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

就在前段时间,人类通过“事件视界望远镜”,把它的真面目拍下来了!人马座A,它原来长这个样子。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

嗯,你这个坏东西,躲在银河系中心可要少干点坏事呀。不过,问题就来了:

第一,黑洞本身既不发光,甚至还要吃掉所有的光,我们怎么就能拍出它的照片呢。

第二,事件视界望远镜究竟是个什么货,竟然能强大到连黑洞都躲不过它,而且,这还是第二次没躲过了。上次那个M87黑洞的照片,也是它拍出来的。好,咱们今天就简单聊聊。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

首先,黑洞的特征不用我再多说了,我们之所以能拍出它,第一,拍出的其实根本就不是本尊,注意呀,不是本尊!!而是围绕着它旋转的炙热的等离子体。

这些等离子体位于黑洞周围的吸积盘里面,也就是被黑洞的强大引力捕获、围绕着黑洞旋转、随时会掉进黑洞去喂养它的,尘埃和气体等物质组成的圆盘。

它们之所以会发光,是因为其运行的速度实在太快,大概就是光速的几分之一吧,所以碰撞也就超剧烈,自然其温度就上升到了数百万摄氏度,能够发光的程度了。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

好吧,即使能发光,但不管是M87还是人马座A,都离我们极其遥远,怎么看?

举一个形象的例子:想要看到它,基本上就等于想要从地球上看到一个位于月球表面的甜甜圈。

可见,事件视界望远镜真的是一台超厉害的望远镜呀。欸,等等,它其实根本就不是一台,而是很多台。

是由很多台遍布全球的射电天文望远镜所组成的望远镜网络,利用一种称为“超长基线干涉”的测量法,用1.3毫米波长的无线电波来成像的。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

是不是听起来很复杂,好,那我就帮你拆解一下。先看一台射电望远镜,是如何成像的。

我们可以把遥远的恒星,或者任何信号源,想象成一个落入水面的石子。它所激起的水波就是其发出的电磁波了。

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记住一点,光其实就是电磁波,所以我们在这儿只把“光”这个称呼换成更准确的电磁波而已。

这些波会向四面八方沿着径向扩散传播,等到了遥远的地球上时,波与波之间,已经几乎是完全平行的状态了,于是我们叫它“平面波”。

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射电望远镜是如何接收它的呢?

  • 望远镜通过不断的改变方向来扫描天空。因为当它正好对准信号源时,所有被抛物面天线反射到接收器里的电磁波都走过了相同的距离,于是能够同步到达,叠加在一起后形成了建设性干涉,使信号达到了峰值,就呈现出了一个明显的亮点。
  • 但是!只要稍微偏离一点点,就会出现有的电磁波先到,有的电磁波后到,就既有建设性干涉也有破坏性干涉了,于是信号变弱,亮点变暗,直到,任何信号都接受不到了,那就说明,望远镜的方向已经彻底离开了信号源的位置了。
银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

这就非常像拍摄黑白胶卷照片,因为我们所看到的每一张黑白照片,都是由很多明暗程度不一的小点组成的。

只要是这些小点足够的小,我们就能忽略它们看到更为清晰的图像了,这就是分辨率。

在射电望远镜这儿叫做“角分辨率”,它意味着我们刚才说的,转过一点点角度后,所能看到两处点的区别有多大。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

但是很可惜,黑洞离我们实在太远,而且实在太小。

于是就成了,把天线转过去,欸,能看到它了,但再转一点点,要么就根本看不出变化,要么就直接转过啥也看不到了。

很简单,是因为一台射电望远镜受限于其天线口径的大小,最小的角分辨率可能都已经是跨过了整个黑洞的直径了的。就像大网捕小鱼,怎么兜得住呢。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

根据计算,除非咱们有一台地球直径那么大的射电望远镜,才有可能对M87和人马座A成像。

但这显然不可能嘛。不过,考虑到射电望远镜的成像原理,干涉,极端的情况下。

我只要在南极和北极架两个天线,同时对准信号源,它们所反射的信号不是一样也能产生干涉吗,等于是虚拟出了一个地球直径的射电望远镜出来。

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唯一不同的是,咱们不可能在太空中去建一个信号接收器。

取而代之,是将这两台射电望远镜各自收集到的干涉信号,通过某种算法叠加到一起后,来形成一个最终的图像。这便是“超长基线干涉测量法”了。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

通过在地球表面相距甚远的地方布设很多对这样的望远镜,并精确记录它们接收到的信号。

其中当然还包括时间和位置等信息,之后再叠加、计算,我们便有了这样的黑洞照片啦。

银河系中心的黑洞,到底是怎么拍出来的?

是的,它实际上,是计算机生成出来,而不是拍摄出来的。虽然有可能偏离了黑洞真实的模样,但是却包含着最为真实的观测数据,这些,远比一张照片看起来有价值的多。

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