首张黑洞照片背后,中国贡献如何? | 林伯虎

00:52起词汇讲解 | 06:58起只听点评 | 20:03起原文朗读
 怕太长你不听 
▸黑洞的存在该如何证实?▸照片的真伪该如何鉴定?

▸黑洞的照片该如何拍摄?

▸中国在对这张照片中有何贡献?

Darkness Visible, Finally: Astronomers Capture First Ever Image of a Black Hole黑暗终见天日:天文学家首次捕捉到黑洞照片

来源 纽约时报
Astronomers announced on Wednesday that at last they had captured an image of the unobservable: a black hole, a cosmic abyss so deep and dense that not even light can escape it.


 
仅仅两天而已,黑洞的首张露脸照(加上各路恶搞图片)已经全网刷屏。大家已关注到的部分无需多提,我们说点别致的角度和细节。

多一句嘴:今天这篇《纽约时报》写得厚重又唯美,就算平时没兴趣学英语的,也可以点开上面音频,听我给你说说这标题和开头的英语有多美。

嗯,“黑”的漂亮。

1

我不知道你怎么看这次的黑洞照片,反正我挥之不去的头一个问题就是:黑洞?黑洞不是会把所有光都吸进去么?

光都出不来,怎么能让人看见?

看都看不见,还怎么拍照片?

甚至,你这没光没电看不见的东西,我怎么证明你还深深的存在?

当然啦,要证明看不见的存在也不是没办法,但之前都是间接的——通过观察一些天体诡异的运动方式,来推测这是受到旁边黑洞的影响。

包括前两年(2017年)获得诺贝尔物理学奖的那项轰动性发现——引力波,其实在一定程度上也间接证实黑洞的存在。

但是,再怎么间接的印证也不如眼见为实。

我从物理学者口中了解到,在物理学当中啊就有一些人始终怀疑黑洞的存在,理由很简单,听的很有哲理,但有点不明觉厉,叫做“物理排斥奇点”。

大概意思就是:像黑洞啊、宇宙大爆炸啊这些东东, 会让所有物理法则都失效。

所以对于相当多的物理学者来说,他们不相信黑洞的存在,并不是说他们能够证明这玩意儿真的没有,而是基于一种学科观念。

2

那现在这张照片出来了——虽然像我这样的普通人,看着如此模糊的画面,很难相信说这是用了两年时间耗费这么大心血才搞出来的一张黑洞免冠照。

但是在内行专家们看来,这已经足够用来作为黑洞存在的直接证据。

那这就牵扯到一个问题了:你怎么证明你拍出来的这张就是黑洞本尊?

背后的科学原理可能复杂,但道理本身却很简单:就是从1910年代爱因斯坦提出广义相对论以来,科学家们基于公式计算和间接观测,对于这个黑洞应该长成什么样,已经形成了一系列的设想:

比如说这个黑洞周围那圈应该是方的还是圆的,它的运动规律是怎样……

所以,在正式面对黑洞前,科学家们就已经给它画了一张相了。

所以道理就简单了:只要我们真能拍出一张黑洞的照片,拿它跟科学家们此前的结果一比照,只要买家秀和卖家秀对得上就行。

当然,你可能跟我一样,觉得这么模糊一张照,到底是甜甜圈还是蜂窝煤都不一定,怎么能够轻易相信科学家的眼神?

还好请广大市民放心,科学家不是随便看了张图就来糊弄你。

这背后是基于海量数据作出的测算。

比如说大家现在看到这张“甜甜圈”,那中间这黑乎乎的一坨才是黑洞本尊,而它的直径跟周围这个甜甜圈(更专业的说法叫积吸盘)的宽度、包括上下不一致的亮度差异,都有对应关系。

在我们今天看到的这张模糊的照片背后,至少有六篇论文已经发出来,印证了这拍出来的就是首次示人的黑洞。

3

但是重点来了:能证明黑洞存在的照片背后,最大难点并不是在于之前的猜测和之后的印证而在于拍摄本身。

而且拍摄黑洞最难的地方,还真不在于拍不出黑洞的脸:因为说草率点,黑洞这种光都要吸进去的家伙,压根就没有脸!

你可以通过黑洞周围的积吸盘来发现黑洞,拍出黑洞的轮廓。 我看不少媒体的用词说,这次拍出的其实是黑洞的“剪影”(silhouette)。

所以黑洞是个雷锋一样的好同志,通过照亮别人,也凸显了低调的自己。

那么,真正的拍摄难度在哪里呢?

说来其实很简单,就是黑洞太远

想想也是这个道理嘛!如果黑洞离我们很近,我们自己都被吸进去了,哪还有这份隔岸观火的淡定?

那像这次拍出来的黑洞离我们距离有多远呢?

五千三百多万光年。

这距离甚至超出了我们银河系。而且你想过没,给这么远的位置拍写真,意味着我们现在这张照片看到的,其实是人家黑洞在5300多万年前(地球上远没有人类时)的样子。

所以,不要埋汰今天的画面太模糊,就当千里送鹅毛吧——离了这么远还能搞到一张人家的正面照,不容易。

我看另一家太空探索网站打了这么个比方:这次我们跟黑洞间的距离,就好比你人在美国东海岸纽约,却想看清楚远另一头西海岸的洛杉矶。

注意话没说完:

说你人在纽约,却偏要看清楚在洛杉矶的一个高尔夫球上,有多少个小!坑!坑!

可想而知,要想在地球上还能拍出这么远的照片,多么不容易。

4

难归难,既然事情现在办成了,我们就想搞清楚:

为什么这么困难的自拍都能搞定?

说到底两个原因:一靠天意,二靠努力。先说说客观原因。

就是从这些黑洞当中,能释放出大量的、各种各样的宇宙射线

我们可以粗略的把它理解为“光”。

其中,有的光是我们人类可以看见的,叫可见光。

但多数“光”,我们肉眼看不到,比如X射线。

那在这些看不到的光当中,有一种“光”特别适合拍照:波长大约在一毫米左右。

这种光(或者射线)有一个特质传播距离特别远,远到可以从那么远的外星系散播到我们地球上来。

所以我们不需要远跑一趟上门去拍,只需要在地球上接收到这种一毫米光波,就能获得人家的画面。

但是,即便是从黑洞那里“送货上门”的光线,由于是从几千万光年外以球面波的形式发过来——这个球面波就好比池塘里你扔一颗石子激起那一道道的涟漪——这些涟漪向外扩散,一直扩散到地球。

但是你想,这个距离越远,就好比我们激起的涟漪往外越扩越大。

等这些涟漪飘荡到地球的时候,一是能量已经减弱,再就是圆圈圈越大,圆周上单位长度的弧度相对就越小。

说的学术一点,就是这些所谓的球面波,等它荡到地球上的时候,每一小段的弧度就近乎直线,相当于“平面波”了。

而物理学者告诉我,这些平面波往往是我们观察宇宙的一个背景色,你这个球面波越趋于平面,那就越跟背景色混在一起分辨不出来,那我的观测难度就越大呀。

那该怎么办?

一个最简单的办法就是:如果你的“眼睛”足够大,那你观察到的弧度就越大。

或者说更简单直接:一个望远镜口径越大,就能看得越远。

在这里,科学家们的想象力就凸显了出来。

他们就设想,我这地球不就是一个凸面嘛,如果我能把整个地球都做成一个太空望远镜的话,那我自然就能看到更远的宇宙啊。

于是就有了今天各位看到的:全世界8座射电望远镜,位于四大洲的六座山头,同时来观测从同一个宇宙深处发出的射线。

当然,要能把8座射电望远镜组网在一起,这不是一件说办就能办的事儿。其中很重要的一点是要确保这些观测到的数据的同步性——因为前面说了,这些到达地球的射线已经如此微弱,而这些射电望远镜又遍布在地球不同地方——时区不一样,空间不一样,接受到这些宇宙信号的时间节点会有细微差别。

这时候,如果你不能校正好这些细微的差别,最后你从各家得到和拼凑出来的数据势必更加残缺。

为此,科学家们还用到了一项技术(听起来很唬人),叫“超长基线干涉测量”,其实说的更通俗就是原子钟

具体这种技术工作原理我还看了,具体原因就不展开细讲了。总之利用这样的技术,科学家们把世界各地的八座射电望远镜连接在了一起:北到格陵兰,南至南极洲,组成了一个上最大(准确讲是再大也只能有这么大)的虚拟射电望远镜。

于是,组网完成以后的2017年4月——刚好两年以前,这几座遍布世界各地的射电望远镜对准星空中的同一个方向开始收集数据。

在浩瀚的星空中,他们收集了多久呢?

其实也没有多久,就十天

而且十天也不是一直收集,因为你地球在转嘛,每天能收集的时间就那么点,所以最后加一起观测也就几个小时

但是啊,就是这几个小时的数据量,科学家们后期用了整整两年来分析。

这数据量有多大?我看到的说法是5000TB。

说实话,这个数字我毫无感觉。

但让我很有感觉的是,这5000TB的数据量由于过于庞大,都没有办法通过互联网传输汇总到一起

所以各地科学家们事先将这些数据存在了8座天文台硬盘里,然后再用人肉携带的方式把它们归拢到一起。

其中有一家天文台位于在南极洲,而且观测时点又适逢南极冬天,冷到不行,人根本进不去,所以一直到观测结束过后,即2017年的12月份——那时是南极的夏天——才把那个硬盘从南极取出来送去了美国和德国。

那么,在接下来的分析过程中,对于如此宝贵的数据,科学家们不敢掉以轻心。为确保分析结果的准确性,世界各地赶来的200名科学家们分成了四个小组,各个小组之间互相不打照面,甚至用这篇《纽约时报》的话来说,就是“互相都不联系”。

然后他们使用的数据呢,是分别存于美国的麻省理工和德国的普朗克射电天文学研究所,然后使用四个小组分别进行验证,分析得出来的结论,再相互印证,最后才看到了今天这个看似模糊但实则涵盖海量数据的黑洞影像!

所以应了前面说那句:为了给这个远在天边的黑洞拍张照,除了靠天意,再就是科学家们的脑洞加努力。

另外,自然也少不了人类科技的进步。

对于海量的大数据,通过超级计算机和更加先进的算法能够更加得心应手地处理。

5

而且前所未有地——想必各位这次都注意到了一个细节——这次黑洞照片的公布,它不是哪一家的独角戏,而是在全球七地同时召开发布会,其中包括中国上海和台北。

这点自然是凸显了在这一项目上全球范围的参与。

当然这当中我们最最关心的问题是,中国究竟对这次的黑洞照片贡献度能有几许?

坦率说,在我看过的外媒里,对这个问题有所关注的不多——也仅有香港的南华早报。而且他家采访的还是中国内地的专家。

根据受访者的说法,中国这次主要是参与了后期数据的分析,提供了一些算法,还有很重要的一点:为项目提供资金。

当然各界很关心的一个问题就是:作为发布会的主要举办方之一,为什么这次却没有任何中国境内的射电望远镜直接参与黑洞观测呢?

我看到的官方说法是两种说法。一是说中国的射电望远镜没有跟这次的八家望远镜小伙伴联网;那另一个说法是说,射电望远镜中国虽然有不少,但观测的射电波长跟这一次的又有所不同。

但在我请教的物理专家看来,之所以中国的射电望远镜没有奔赴一线,不排除还有一种可能就是中国在黑洞观测的江湖地位还不够,从整体上讲还没有进入该项研究的第一梯队。

但无论如何我们应该看到,跟过往的国际合作相比,尤其是在太空领域(像是国际空间站那会基本没中国什么事儿),如今中国已经成为了能够开联合发布会的重要成员之一。

而且虽然八个射电望远镜没有在中国境内,但是位于美国夏威夷的一台望远镜,中国的中科院其实参与其中。

所以,就算这次我们还不能作为黑洞拍照的“一梯队”,但是作为能够召开同步新闻发布会的国家之一,这样的存在感本身已经彰显了中国的贡献度。

当然欣喜之余,最后不禁有一丢丢的小遗憾:我注意到在这张照片引发的黑洞热当中,中国的网民似乎很快关注到的是与这张照片相关的恶搞图片,而未必是背后的原理。

不知道我最后这句话是否会引发争议:就中国人在“看天”的问题上,有时候浪漫的情怀多一点,理性与科学的精神还不行。

黑洞拍照,大家的热情在于想象个中神秘,却恐怕鲜有人去关心背后的科学道理。

所以最后的问题抛给你:在这一波黑洞热潮下,你的兴奋点在哪里?


微词卡

darkness [ˈdɑ:knəs] n. 黑暗;模糊;无知;阴郁

astronomer

[əˈstrɒnəmə(r)] n. 天文学家

observable

[əbˈzɜ:vəbl] adj. 显著的;觉察得到的;看得见的

One Word, One World
今日重点词:
observable

精选留言
  • 52
    虎哥写经济政治类文章杠杠的 第一次看到科技类文章 也写得生动有趣 背后的钻研和付出
    88
    作者
    鬼知道我经历了怎样的学习恶补……
  • 35
    虎哥每次说稍狠一点的话时,都要做很多铺垫,我理解为彰显虎哥的善良与修养。 关于中国网民的表现,我作为科技爱好者想说,可能真正的爱好者不太喜欢网言网语。 不知国外网民是啥样?
    13
    作者
    哈哈你懂的
  • 20
    中国贡献了视觉中国
  • 18
    昨天没晨读,挺为虎哥着急,热点第二天就凉了。然而,虎哥后发制人,这篇是我看到的有关黑洞的新闻讲解中最好的,没有之一。虎哥讲时政新闻杠杠的,讲科技新闻杠杠杠的
  • 14
    与虎哥同感。上周就和4岁儿子说黑洞照片就要出来了,我们都很期待,所以本周第一眼看到这样照片的感觉是“太不容易了”,儿子也激动地问“还有没有别的照片?”。可是当早上刷第一波朋友圈确是蜂窝煤的照片,我不禁疑惑,这波ps是否因为太不了解宇宙或者太过轻视科学家的努力,而把兴奋点给带歪了……
  • 11
    音频里是2000TB?还是我听错了?
    6
    作者
    你厉害了,我服。
  • 9
    昨天第一时间看的外媒是CNN 特别印象深刻的是为了让八部望远镜精确同步 用了一个原子钟 今天百度了一下 原子钟据说是2000万年才会误差一秒……
  • 9
    “中国人在“看天”的问题上,有时候浪漫的情怀多一点,理性与科学的精神还不行。”这句话可以说是很理智了
  • 9
    十多年前的高中物理课上,班主任讲着黑洞的理论知识,用尽各种办法给让我们理解和掌握相关知识,我想象着到底是什么样子呢……直到今天,这张照片,真是动容。致敬为了人类科学技术的发展而奉献的所有。
  • 8
    一直痴迷于理工男用学术论文风格说护肤;现在我开始痴迷文科生用生动有趣幽默易懂地文字讲科普。
  • 8
    不得不为虎哥这篇点个赞感谢你为科学普及做出的贡献!
  • 6
    想曲高和众,就要雅俗共赏
  • 5
    虎哥真的是上知天文下知地理,文能治国武能安邦啊,佩服佩服
    5
    作者
    我只是搬运工,治国不行,连治理好厨房卧室都成问题
  • 5
    虎哥是吃货,朋友圈多的是燃烧的煤球,,,最后的观点赞同哈,同我们没有进入第一梯队相关,民众也一样,少理性,多感性,呵呵
  • 4
    5300万光年和5300万年一样吗?
    作者
    光年是距离单位,年是时间单位。但我音频里没讲错,这逻辑你好好捋捋:)
  • 4
    0.07倍以下太阳质量的较大星体会成为类木气态行星或类地球的岩石行星。0.07到1.44的会在死亡时成为白矮星,越小寿命越长,0.1倍太阳的可以万亿年发光--虽然如此长寿但表面温度只有几十度,连红薯都烤不熟。1.44到3的会成为中子星。3到10倍的会超新星爆发,炸的毛都不剩。10到30倍的核心区会在超新星爆发时形成黑洞。再大的黑洞就不是恒星死亡形成的了,因为恒星的质量是有极限的。超大质量黑洞形成原因未知。理论上黑洞最大只能500亿倍太阳,达到这个质量的黑洞其吸积盘转速快到会把试图坠入其中的物质甩离黑洞,而吸积盘的辐射压也会驱散靠近的物质。
  • 4
    最后的总结其实反映了我们的一些问题,对科普知识的宣传和教育都不到位,学生学习的大量的都是应对考试的,就比如说这个黑洞的照片,小学的自然老师和中学的物理老师都未必有足够的知识储备去引导学生,而且对不少家长来说这些东西对孩子未必有用,所以造成我们生活中充斥着大量伪科学,殊不知对孩子小小的启发将来可能就在孩子中出现真正的科学家
  • 4
    宇宙的肚脐眼
  • 3
    感觉,有点像三体的剧情照进现实
  • 2
    感谢虎哥,科普得我都看懂了,真普!另摘自”科普中国”(虎哥普的诠释):此次对M87星系黑洞成像的“事件视界望远镜”的工作波段是毫米波。但人眼并不能看到毫米波,黑洞图像上呈现出的彩色光是科研人员经过计算机处理而成的。
  • 2
    用通俗俏皮的语言进行科普,大赞虎哥!至于蜂窝煤之类的恶搞,也许是传播科普的另一种方式,毕竟很多人连黑洞这个词也不曾听说过
  • 2
    哇塞,这二十分钟是看了多少资料才浓缩而成的
  • 2
    大众是娱乐的,理论学术是少数人的,这就是是中国目前的现状。
  • 2
    非常同意虎哥最后的点评了,朋友圈有人看到恶搞照片问这几天都在发这个(燃烧的煤球照)是什么意思,还不知道黑洞照片的发布。黑洞恶搞照多于科普帖子,所以妥妥的把今天的晨读转发
  • 2
    方舟子是我看到的第一个说咱没干啥的,虎哥第二个。好多黑洞之父之母之哥之妹都蹦出来现了原形。
  • 2
    在此之前,中国网民又有多少人听过黑洞一词呢
  • 2
    发现黑洞,是意味着时间旅行是有可能的吗
  • 1
    比心❤️💗台上一分钟,台下十年功。
  • 1
    短短20分钟,不知道要做足了多少功课,才能讲得这么好,感谢
  • 1
    我也不算是对科学很痴迷,在图片公布之前也挺期待的,毕竟从小就听说黑洞啊,连光都能吸收进去的神奇的家伙,还有什么物质,反物质的。照片出来后,我就一直再想,这是怎么拍出来的,又怎么能确定这就是真正的呢?在微博上也看了一些科普文,说实话,作为文科生出身,我太多东西看不懂,也看不下去。您的文章我看完了,竟然也知道为什么会拍出来,又为啥两年后才公布!感觉面向大众的科普文就应该这样吧!至于恶搞的照片,我个人觉得也还行啊,至少网民参与度高了,在这样的环境下,适当引导,以后会更加理性的吧!
  • 1
    不是还有一个比喻是在地球上看月球上面的一根针嘛听起来更厉害
  • 1
    谢耳朵怕是要沸腾起来了
  • 1
    今天的一词一句让我想起了即将“权游”
  • 兴奋点当然在于见证历史了啊啊啊啊啊
  • 真没想道虎哥的科普也做得如此有色有香!听到黑洞是时间和时空塌陷形成的,脑洞一片空白,突然眩晕了一下
  • 这篇特别喜欢,从开头的浪漫语句,到最后“浪漫”看天,理性的思辨的社会还要多长时间来临?
  • 内容很好,希望有语音的文字版
    作者
    正文就是噢
  • 欢迎来到虎哥科学讲堂之科学背后的秘密
  • 吃瓜群众就图片内容去理解,不问出处,只看画面这一事件就会得出煤球结论,我们是缺少那一份“我从哪来,我是谁和我要到哪去”的专研精神或者精力
  • 非常用心的文章👍,对得起这张照片背后科学家们付出的巨大努力,不过评论区难道只有我的兴奋点在感叹爱因斯坦的伟大吗😀
  • 感谢分享!
  • 黑洞照片出来后我又看了一遍星际穿越,最后部分尽管还是不太能理解,但是我不得不佩服科学家们为探索宇宙所付出的努力和牺牲!
  • 科学原因吧,对恶搞图片兴趣不大
  • 硬核
  • 虎哥竟然知道我是走着看的
  • 科学理当为追求真理而超越狭隘。
  • 能说完全没兴奋吗

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作者: RESSRC

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