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周四

事件视界:在拍摄黑洞照片后,科学家们正制作电影

黑洞的首个动态影像可能会展示等离子体漩涡和崩溃的恒星,加深我们对宇宙的理解。长期以来,人们普遍误解将太空中的黑洞等同于虚无,“一切的尽头”。但一个包括欧盟研究人员在内的全球科学家团队已成功拍摄黑洞,发现了足够的新证据以便进一步探究。荷兰-德国天文学家、教授海诺·法尔克(Heino Falcke)是那些希望理解“我们知识的终极边缘”——黑洞的人之一。

他是荷兰拉德堡德大学的粒子天体物理学和射电天文学教授,还是事件视界望远镜(EHT)的负责人之一。该项目是一个全球望远镜网络,于2019年捕捉到了黑洞的首个图像。现在,他与同事们希望更进一步,创造这些令人难以置信而神秘的宇宙天体的首个视频。法尔克表示,获得关于黑洞的更多知识对理解宇宙至关重要,而新的“黑洞全观”(BlackHolistic)项目将持续到2029年,应该提供重要线索。

通过资助,科学家们计划利用超级计算硬件和纳米比亚的新射电望远镜来拓展EHT的研究,并加深我们对黑洞的理解。“在某种程度上,黑洞与大爆炸拥有相同的物理特性,”法尔克说。“作为宇宙中最有效的能量制造者,它们在天体物理学上也很重要,终究让人着迷。它们是时间似乎停滞的神话物体。”来自遥远星系的影像
2019年,通过其全球网络,EHT生成了M87星系中心黑洞的图像,该星系距离地球5400万光年。

这是第一次看到黑洞的“阴影”,即标志着其“事件视界”的黑色斑点,这一边界内没有东西——无论是物质、能量,甚至光——能逃脱其引力。因为这幅高分辨率的图像,法尔克获得了2023年的巴尔赞奖,包括76万欧元的奖励。“这绝对令人惊叹,”他说。“这是科学界的大奖之一。”他还写了一本关于他研究的畅销书,名为《黑暗中的光》。EHT随后在2022年发布了我们银河系中心黑洞人马座A*的图像。

现在,法尔克和一支由英国、荷兰、芬兰和纳米比亚天文学家组成的团队将在黑洞全观项目和EHT的协助下拍摄黑洞的标志性视频。借助纳米比亚一座新建的直径 15 米的望远镜,即非洲毫米望远镜(AMT),目标是制作M87和人马座A*事件视界周围等离子体和气体旋转的长视频。“我们拍摄了黑洞的第一张图片。现在我们想更进一步。我们想拍摄黑洞的第一部电影,”法尔克说。

通过将AMT与北美、南美、欧洲和南极现有的EHT望远镜结合,团队将能够长时间观测这些望远镜中的黑洞,使拍摄更容易。挑战:处理大量太空数据
M87是一个超大质量黑洞,约为我们太阳的60亿倍质量。尽管如此,它仍难以发现。它的事件视界大约与我们的太阳系一样大,但距离我们非常遥远。随着地球旋转,黑洞将在全球各地不同的望远镜视野内升起,使得能够每隔几天收集连续图像,并将这些图像合成在一起。

对于质量较小的人马座A*,约为我们太阳400万倍的质量,必须每五分钟拍摄一次以观察黑洞周围的变化。望远镜以无线电波观察黑洞,通过一种使用电磁波提取信息的过程将视野拼接在一起,形成单一视图。当前无法通过单个望远镜来实现这点。人马座A*周围的物质主要是气态物质,其运行速度比M87周围的快得多,仅用几小时即可完成一个轨道,而M87需要两周。观察它需要使用纳米比亚的AMT。望远镜产生的数据量令人瞠目结舌:

五拍字节及以上,或50亿千兆字节——无法在合理时间内通过互联网传输。相反,数据必须物理运送到美国和德国的处理设施。对于即将到来的黑洞视频,法尔克警告说,“这会变得更糟。将会有更多的数据产生。”我们会看到恒星被撕碎吗?迈克尔·克拉默(Michael Kramer),与法尔克一起主导早期太空计划2014-2020年的BLACKHOLECAM项目,他表示,制作黑洞的视频将比单个图像提供更多信息。

克拉默是德国马克斯·普朗克射电天文研究所的一位负责人。他说,之前发布的图片上有一个“亮点”——被黑洞吞噬的大型等离子斑块。在视频中,这些亮点将移动,他说。“通过观察这些等离子体的运动,你对其动态有了更好的理解。你还可以更好地掌握黑洞的几何形状和方向。”这种运动应能更精确地测量黑洞的质量,就像我们通过观察行星和它们围绕太阳系中心的轨道计算太阳质量一样,克拉默解释。

等离子体的方向还将显示轨道物质的方向,因为它慢慢失去能量并螺旋内缩。如果有恒星冒险靠得太近,也许可以看到它被黑洞撕裂的景象。“那真酷,”法尔克说。“如果它发生了,我们已经准备好了。”宇宙的神秘
“黑洞是我们历史的一部分,”他说。“如果黑洞没有在宇宙进程中将它们传输,这些元素就不会存在于我们身体中。”他将黑洞全观项目的研究努力描述为“有点冒险”。

但他指出,黑洞本质上是“宇宙中最简单的物体,因为它们仅由两个数字描述,它们的质量有多少以及它们旋转多少。”“你身体的每个细胞都无限复杂于黑洞。”尽管有这种虚假的简单性,关于黑洞内部空间和时间的边界仍有许多不确定性让研究人员感到困惑。“我寻找宇宙的神秘,”法尔克说,“我相信那将永远是个谜。”首个黑洞视频至少会提供一些答案。