黑洞“真相”图鉴:从手绘图到标准照,见证40年来技术变革

2019-04-12 09:45:24    第一财经

集全球多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“真相”。

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。先进的探测技术和数据处理方法让人类印证了科学的想象与现实之间,原来可以如此接近。

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。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞。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,中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。

黑洞“真相”图鉴:从手绘图到标准照,见证40年来技术变革

“事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)拍摄到的这张黑洞图片,从任何角度来看,无论是形状还是颜色,都像极了1989年基于我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、现任法国国家科学研究中心(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这样一段话。

黑洞面纱被揭开,也印证了包括《星际穿越》等好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一致,爱因斯坦目前来看再次被证明是对的。”参与EHT项目的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和好莱坞导演们所设想的黑洞相仿。他表示,“虽然黑洞是非常简单的物体,但是引发人类对宇宙和自然的思考是最为深层的,甚至关系到人类的终极存在。”

一百年前,爱因斯坦广义相对论提出后不久,便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代,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:“首张黑洞图的绘制工作要追溯到1972年,当时在法国莱苏什(Les Houches)的夏季学校里,巴尔蒂恩研究分析了克尔黑洞(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。他的结果是当黑洞自转接近角度峰值时,会形成一个D形状的阴影。”

1978年,当时还是巴黎默东(Paris Meudon)天文台一名年轻研究员的卢米涅开始着手绘制黑洞事件视界的第一幅“肖像”。他凭借自己的数学背景,使用一台上世纪60年代的IBM 7040穿孔计算机,首次模拟出黑洞的样子。

黑洞“真相”图鉴:从手绘图到标准照,见证40年来技术变革

不过由于当时并没有先进的绘图软件,卢米涅决定赤手空拳绘制这幅超高难度的黑洞图。“我从电脑中导出数据文件,将坎森纸负片作为底片,用墨汁一点点涂上去,在模拟图像显示亮度高的地方密集地点上墨汁。”至今回忆起来,卢米涅仍然觉得这是一个费力的活。

他说道:“接下来,我再用一张负片将黑白进行反转,这样原来墨浓的地方就变白了,原来背景亮的地方就变黑了,最后形成了一张看上去并不对称、但符合科学的视觉化黑洞图像。”

1979年,这张手绘图终于诞生。

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