首张 黑洞 照片 咋 拍 的? How is a black hole photographed?

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 Hello everyone, I’m Teacher Li Yongle

最近 全世界 的 科学 爱好者 都 被 一个 消息 刷屏 了 Kürzlich wurden Wissenschaftsbegeisterte auf der ganzen Welt von einer Nachricht heimgesucht Recently, science enthusiasts all over the world have been swiped by a message

那 就是 人类 历史 上 第一张 黑洞 照片 诞生 了 That's the birth of the first black hole photo in human history

有 小朋友 就 问 我 说

说 黑洞 不是 连光 都 吸得 进去 吗 Saugen Schwarze Löcher nicht sogar Licht auf? Say black holes can even absorb light, right?

为什么 还 能 拍照片 呢 Why can I still take pictures

黑洞 照片 两年 前 就 拍 了 为什么 到 现在 才 公布 呢

今天 就 给 大家 介绍 一下 这方面 的 知识 Today I will introduce you to this knowledge

我们 为了 介绍 这个 黑洞 照片

首先 我们 先 从 望远镜 的 基本原理 说起

望远镜 telescope

可能 我们 小 的 时候 家长 都 给 买 过 一个 望远镜 Maybe our parents bought a binoculars when we were young

用来 观察 着 远处 的 东西 Used to observe things in the distance

眼睛 要 想 看到 物体 我们 需要 两个 条件 For the eyes to see objects, we need two conditions

哪 两个 条件 呢 Which two conditions

第一个 条件 就是 光强 要够 The first condition is enough light intensity

如果 发 的 光 太弱 了 离 我们 特别 远 If the light is too weak, it’s too far away from us

我们 就 看不清 了 对 吧 We can't see clearly, right

除此之外 还有 一个 就是 光线 的 角度 要 大 Außerdem sollte der Winkel des Lichts größer sein. In addition to that, the angle of the light should be large

比如说 如果 两个 不同 的 点 发出 的 光线 的话 Zum Beispiel, wenn Licht von zwei verschiedenen Punkten kommt For example, if the light from two different points

那么 它们 的 光线 会成 一定 角度 进入 我们 的 眼睛 dann fällt ihr Licht schräg in unsere Augen Then their light will enter our eyes at a certain angle

如果 这个 角度 特别 特别 小 我们 分辨 不 开 If this angle is very small, we can’t tell

看起来 就是 一个点 如果 角度 比较 大 我们 才能 分辨 开 It seems to be a point, if the angle is relatively large, we can distinguish it

看 出来 是 两个 点 It can be seen that there are two points

所以 我们 就 可以 解释 So we can explain

为什么 遥远 的 星星 看起来 都 是 一样 的 对 吧 Why do the distant stars all look the same, right

就是 一个点 没有 形状 就是 因为 角度 太小 了 A point has no shape because the angle is too small

那么 我们 来画 一个 示意图 Then let's draw a schematic diagram

这 是 人 的 眼睛 有 一根 光线 照射到 人 的 眼睛 里面 This is the human eye has a light shining into the human eye

此时 会 在 A 点成 一个 像 A 点有 感光 细胞 Zu diesem Zeitpunkt wird es an Punkt A wie Punkt A zu einem Fotorezeptor At this time, it will be like a photoreceptor cell at point A.

另外 一根 光线 也 经过 人 的 瞳孔 Another light also passes through the human pupil

然后 照到 了 这个 B 点 也 会成 一个 像 Then it will become an image when it reaches this point B

但 大家 注意 A 和 B 这 两个 点 But everyone pay attention to the two points A and B

它 所成 的 像 并 不是 一个 真正 的 点 而是 一个 光斑 Das Bild, das es bildet, ist kein wirklicher Punkt, sondern ein Lichtpunkt The image it makes is not a real point but a light spot

这 是因为 什么 呢 Why is this

这 是因为 在 光线 经过 瞳孔 的 时候 会 发生 衍射 现象 This is because diffraction occurs when light passes through the pupil

所以 一根 光线 过来 绝对 不会 成为 一个点 Aus einem Lichtstrahl wird also nie ein Punkt So a ray of light will never become a point

而是 变成 了 一个 光斑 But turned into a light spot

那 这个 光斑 它 有 可能 会 交叠 到 一起 Then this light spot may overlap together

比如说 如果 这 两个 光斑 叠成 这个 样子 的 For example, if these two light spots are superimposed like this

看起来 连成一片 了 那 就 有 可能 会 分辨 不 出来 It seems to be connected together, then it may not be able to distinguish

那么 卡文迪许 实验室 的 主任 瑞利 第三代 瑞利 男爵 Then the third generation Baron Rayleigh, the director of Cavendish Labs

提出 了 一个 判据 他 说 präsentiert ein Kriterium, das er sagte Put forward a criterion, he said

假如 这 两个 光斑 的 中心 距离 叫 x 对 吧 If the distance between the centers of these two spots is called x, right?

这 两个 光斑 的 中心 间距 大于 光斑 的 半径 Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Punkte ist größer als der Radius des Punktes The distance between the centers of the two spots is greater than the radius of the spot

它 就是 可以 分辨 的 It can be distinguished

这个 我们 就 称之为 瑞利 判据 Wir nennen dies das Rayleigh-Kriterium. We call this the Rayleigh criterion

瑞利 判据 就是说 如果 这 两个 光斑 隔 的 比较 远 The Rayleigh criterion is that if the two spots are far apart

我们 就 能 分辨

瑞利 判据 要求 x 必须 大于 半径 r Das Rayleigh-Kriterium erfordert, dass x größer als der Radius r sein muss

这个 x 是 两个 圆心 的 间距 r 是 光斑 的 半径 Dieses x ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Kreise und r ist der Radius des Lichtflecks

在 这种 情况 下 它 才 是 可 分辨 的

如果 我们 仔细 推导 的话 瑞利 判据 经过 计算 Wenn wir sorgfältig ableiten, wird das Rayleigh-Kriterium berechnet If we derive carefully, the Rayleigh criterion is calculated

它 的 数学 表达式 是 什么 呢 What is its mathematical expression

就是 如果 你 想 可 分辨 Is if you want to be distinguishable

那么 这 两个 光线 之间 有 一个 夹角 这个 夹角 叫 θ Then there is an angle between the two rays, which is called θ

这个 θ 角 必须 怎么着 必须 大于 一个 数据 Dieser θ-Winkel muss größer als ein Datum sein How must this θ angle be greater than a number

叫 1.22 倍 的 λ/d Called 1.22 times λ/d

这 里面 我们 解释一下

这 λ 是 什么 这 λ 是 光 的 波长 What is this λ is the wavelength of light

这个 d 是 什么 What is this d

d 是 这个 孔径 d is the aperture

这个 是 孔径 This is the aperture

也就是说 波长 越长 你 所 需要 的 这个 夹角 就 得 越 大 Das heißt, je länger die Wellenlänge, desto größer der benötigte Winkel. In other words, the longer the wavelength, the larger the angle you need.

孔径 越小 你 所 需 的 夹角 越大 Je kleiner die Blende, desto größer der benötigte Winkel The smaller the aperture, the larger the angle you need

如果 夹角 小于 这个 值 的 你 是 无法 分辨 这 两个 点 If the included angle is less than this value, you cannot distinguish the two points

因为 它 看起来 光斑 会 重叠 对 吧 Because it looks like the light spots will overlap right?

我们 举个 例子 比如说 一个 人 Let’s take an example, let’s say a person

他 对于 多长 的 光 最 敏感 550 纳米 He is most sensitive to light at 550 nanometers

这个 是 绿光 人 对 这个 光是 最 敏感 的 This is the green light people are most sensitive to this light

那么 人 的 孔径 就是 这个 人 的 瞳孔 Then the person’s aperture is the person’s pupil

虹膜 这个 孔径 大概 是 多少 大概 是 五 毫米 Die Öffnung der Iris beträgt etwa fünf Millimeter. The aperture of the iris is about five millimeters

如果 我们 把 这 两个 数据 代 进去 的话 If we put these two data in

我们 得出结论 we come to the conclusion

就是 人眼 可 分辨 的 这个 角度 会 大于 … That is, the angle that the human eye can distinguish is greater than...

把 这个 数据 代到 这里 边去 Ersetzen Sie diese Daten hier Substituting this data here

最后 算 出来 的 是 1.34×10^-4 弧度 The final calculation is 1.34×10^-4 radians

也 就 大概 是 多少 大概 是 0.008 度 Das ist ungefähr, wie viel ungefähr 0,008 Grad sind It’s about 0.008 degrees.

也就是说 人眼 能够 看到 的 光线 夹角 必须 超过 In other words, the angle of light that the human eye can see must exceed

否则 人 的 眼睛 看成 就是 一个点 了 Otherwise, people’s eyes will see achievement as a point

那么 我们 要 想 看到 远处 的 物体 Then we want to see distant objects

我们 就 得 提高 人眼 的 这 两种 能力 We have to improve these two abilities of the human eye

一个 是 我们 要 让 光强 变得 更强 收集 更 多 的 光线 Einer ist, dass wir das Licht stärker machen und mehr Licht sammeln wollen One is that we have to make the light intensity stronger and collect more light

第二个 就是 要 让 光线 的 角度 变 大 The second is to make the angle of the light larger

于是 人们 就 发明 了 望远镜 So people invented the telescope

要说 望远镜 咱们 首先 先 从 折射式 望远镜 说起 To talk about telescopes, let’s start with refracting telescopes.

最早 人们 发明 的 望远镜 都 是 折射式 的 The earliest telescopes invented were all refracting

比如说 伽利略 就 运用 折射式 望远镜 去 观察 天体 Galileo zum Beispiel verwendete Linsenteleskope, um Himmelsobjekte zu beobachten. For example, Galileo uses refracting telescopes to observe celestial bodies

伽利略 的 望远镜 原理 不 复杂 The principle of Galileo's telescope is not complicated

它 基本原理 就是 这样 Its basic principle is like this

他 有 一个 凸透镜 He has a convex lens

然后 还有 一个 凹透镜 Then there is a concave lens

这个 凸透镜 和 凹透镜 是 共焦点 的 The convex lens and the concave lens are confocal

这个 凸透镜 的 焦距 f1 比较 大 The focal length f1 of this convex lens is relatively large

凹透镜 的 焦距 f2 比较 小 The focal length f2 of the concave lens is relatively small

但 它们 的 焦点 是 在 一块 But their focus is on one piece

然后 假如 有 一个 光线 平行 于 主光轴 入射 Dann, wenn ein Strahl parallel zur optischen Hauptachse einfällt Then if there is a light incident parallel to the main optical axis

我们 初中 就学 过 平行 于 主光轴 入射 的 光线 会 怎么样 Wir haben in der Junior High School gelernt, was passiert, wenn Licht parallel zur optischen Hauptachse einfällt We learned in junior high school what happens to light incident parallel to the main optical axis

会 汇聚 于 焦点 对 吧 Will be in focus, right?

它 就 想 往 这个 焦点 照 It just wants to take this focus

但是 还 没 等到 焦点 它 就 被 这个 凹透镜 给 拦住 了 对 不 对 Aber es wurde von dieser konkaven Linse blockiert, bevor es den Fokus erreichen konnte, richtig? But it was blocked by the concave lens before the focus was reached, right?

凹透镜 的 作用 是 The role of the concave lens is

如果 延长线 过 焦点 的 光线 会 平行 射 出 Wenn die Verlängerungslinie durch den Brennpunkt verläuft, treten die Strahlen parallel aus If the extension line passes the focal point, the rays will be emitted in parallel

所以 它 又 会 水平 射 出 这 就 实现 了 什么 呢 Also schießt er wieder horizontal, was bringt das? So it will shoot horizontally again. What does this achieve?

实现 了 平行 光 经过 这么 一个 系统 变成 平行 光 Es wird erkannt, dass paralleles Licht durch ein solches System zu parallelem Licht wird Realized that the parallel light becomes parallel light through such a system

实现 了 光线 的 汇聚 是 吧 Konvergenz des Lichts wird erreicht, richtig?

光线 本来 是 宽 的 后来 变窄 了 进到 你 眼睛 里 了 Das Licht war ursprünglich breit und wurde dann schmaler und trat in Ihre Augen ein

所以 增大 了 光强

不仅如此 假如 你 入射光 线 稍微 弯 一点

两个 光线 成角 的话 Wenn zwei Strahlen in einem Winkel stehen

你 会 发现 出射 光线 的 角度 比 入射光 线要 大 Sie werden feststellen, dass der Winkel der ausgehenden Strahlen größer ist als der der einfallenden Strahlen

所以 它 实现 了 放大 so erreicht es den Zoom

而且 这个 放大率 我们 还 可以 算

其实 就是 这 俩 焦距 之 比

这个 f1/f2 就是 它 的 放大率 Dieses f1/f2 ist seine Vergrößerung

伽利略 当时 用 他 发明 的 望远镜 去 观察 天体

他 发现 了 什么 发现 了 月球 表面 的 凸凹 Was er entdeckte, entdeckte die Unebenheiten auf der Mondoberfläche

所以 证明 了 这 宗教 说 月球 是 完美无瑕 的 这句 话 是 错 的

他 还 发现 了 木星 的 卫星

这件 事 让 宗教 非常 恼怒

因为 宗教 认为 说 所有 的 星球 都 是 围绕 地球 转 的

结果 你 发现 有 星球 围绕 木星 转 Es stellt sich heraus, dass Sie einen Planeten gefunden haben, der sich um Jupiter dreht

你 是不是 跟 我 作对 对 吧 Hast du recht gegen mich?

把 他 抓 起来 了 Fang ihn

除了 伽利略 以外 还有 一个 人

就是 跟 他 同时代 的 叫 开普勒

这个 开普勒 就是 开普勒 三 定律 那个 人

开普勒 他 也 发明 了 自己 的 望远镜 Kepler erfand auch sein eigenes Teleskop

开普勒 式 望远镜 它 是 两个 凸透镜 Kepler-Teleskop mit zwei konvexen Linsen

两个 凸透镜

焦点 在 中间 它们 也 共焦点 Der Fokus liegt in der Mitte und sie sind auch konfokal

左边 有 一个 焦距 f1 右边 有个 焦距 f2

也 是 共焦点 auch ein gemeinsamer Schwerpunkt

这样一来 平行 光 入射 之后 会 汇聚 于 焦点 Auf diese Weise konvergiert das parallele Licht nach dem Einfall zum Brennpunkt.

汇聚 于 焦点 之后

经过 焦点 发出 的 光线

经过 第二个 凸透镜 又 会 变成 平行 光 Nachdem es die zweite konvexe Linse passiert hat, wird es zu parallelem Licht

你 看 你 又 实现 了 什么 一个 宽 范围 的 光线 Sie sehen, was Sie erreicht haben, ein breites Spektrum an Licht

变成 窄 范围 的 光线 实现 了 光强 的 增大 Wird ein enger Lichtbereich, um eine Erhöhung der Lichtintensität zu erreichen

同时 如果 入射光 线有 夹角 的话 Wenn das einfallende Licht gleichzeitig einen eingeschlossenen Winkel hat,

这个 出射 光线 夹角 更大 Dieser ausgehende Strahl hat einen größeren Winkel

实现 了 角度 的 放大 Vergrößerter Winkel

这 两种 望远镜 都 是 人们 用 的 比较 早期 的 望远镜

早期 的 望远镜 有 一个 问题 就是 它会 有 色差

就 这个 光线 经过 折射 会 有 色差 模糊不清 Gerade dieses Licht wird nach der Brechung durch chromatische Aberration verwischt

后来 人们 想 我们 怎么样 把 这个 色差 消除 呢

于是 人们 又 发明 了 一种 望远镜 叫 反射式 望远镜

我 不用 折射 了 用 反射

比如说 最早 牛顿 就 发明 了 反射式 望远镜

牛顿 的 望远镜 原理 大概 是 这个 样子 的

就是 有 一个 反光 面

然后 让 光线 照 到 反光 面上 Lassen Sie dann das Licht auf die reflektierende Oberfläche treffen

照完 了 之后 光线 就 往 中间 汇聚 Nachdem das Licht fertig ist, läuft das Licht in der Mitte zusammen

按说 应该 汇聚 到 焦点 上 soll im Fokus stehen

但是 还 没 等 它 汇聚 到 焦点 的 时候

牛顿 就 用 一个 45 度 的 反光镜 把 它 收到 了 Newton erhielt es mit einem 45-Grad-Reflektor

收 了 之后 这个 光线 经过 反光镜 往上 折 往上 折 Nach dem Schließen wird das Licht durch den Reflektor nach oben gefaltet

再 经过 一个 凸透镜 它 就 又 变成 了 平行 光 了 是 吧 Nachdem es eine konvexe Linse passiert hat, wird es wieder zu einem parallelen Licht, richtig?

这样 也 可以 实现 光线 的 汇聚 Dies ermöglicht auch die Konvergenz von Licht

同时 还 可以 实现 角度 的 放大 Gleichzeitig kann es auch die Vergrößerung des Winkels realisieren

所以 牛顿 通过 这种 方法 发明 了 自己 的 望远镜

现代 的 射电 望远镜 Modernes Radioteleskop

其实 跟 这个 反射式 望远镜 的 原理 是 差 不太多 的 Tatsächlich ist das Prinzip dieses Spiegelteleskops sehr ähnlich.

好 但是 这些 个 望远镜 它 都 是 光学 望远镜 Okay, but these telescopes are all optical telescopes

光学 望远镜 是 工作 在 可见光 的 这个 范围 的

它 是 光学 望远镜

它 的 工作 的 光是 可见光 Das Licht, mit dem es arbeitet, ist sichtbares Licht

光学 望远镜 它 是 有 它 的 问题 的

什么 问题 呢

光学 望远镜 的 问题 在于 因为 你 是 工作 在 可见光 范围

它 的 波长 很 短 可见光 的 波长 10^-7 米 这个 量级 Seine Wellenlänge ist sehr kurz, die Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegt in der Größenordnung von 10^-7 Metern

因为 波长 短 所以 易 被 大气 进行 散射

进 大气 的 时候 可见光 就 会 被 强烈 的 散射 Sichtbares Licht wird beim Eintritt in die Atmosphäre stark gestreut

所以 你 很 难 观察 到 清晰 的 图像 那 怎么办 呢

人们 就 想 了 两个 办法

第一个 办法 是 你 不是 说 有 大气 吗 Der erste Weg ist, hast du nicht gesagt, dass es Atmosphäre gibt?

大气 把 我 散射 了 对 吧

我 跑 大气 外边 不 就 完 了 吗

所以 人们 就 在外 太空 安 了 一个 望远镜

这 就是 著名 的 哈勃 望远镜

人们 通过 哈勃 望远镜

观察 到 很多很多 以前 没有 看到 的 东西 是 吧

除此之外 还有 一个 方法

你 说 可见光 波长 短 我 不用 可见光 行不行

我用 红外 或者 微波

我用 红外 或者 微波 用 这种 波

这种 波它 波长 长 它 就 不 容易 被 大气 散射

可以 直接 照 到 地面 上 对 不 对

于是 人们 把 工作 在 这种 范围 内 的 望远镜 Also setzen die Leute Teleskope ein, die in diesem Bereich funktionieren

就 称之为 射电 望远镜 Radioteleskop

但是 射电 望远镜 的 基本原理

其实 跟 这个 反射式 望远镜 差不多

就是 这个 红外 或者 微波 被 一个 巨大 无比 的 锅盖 收集 起来 Es ist diese Infrarot- oder Mikrowelle, die von einem riesigen Topfdeckel gesammelt wird

收集 起来 之后 进入 到 一个 镜头

或者 进入 到 一个 什么 分析仪器 上

我们 就 能 看见 远处 的 星星 了 Wir können die Sterne in der Ferne sehen

那么 现在 给 黑洞 拍照片 的 其实 也 是 射电 望远镜

好 下面 我们 就 来 介绍 一下

这次 给 黑洞 拍照片 的 这个 技术

这个 技术 就是 基于 射电 望远镜 的

它 的 名字 叫做 甚长 基线 干涉技术 Its name is Very Long Baseline Interferometry

甚长 基线 干涉技术 这个 技术 叫 VLBI

说 我们 为什么 要 用 全球 很多 个 地方 的 望远镜

一起 来看 黑洞

为什么 在 一个 地方 就 不行 呢

这个 跟 射电 望远镜 的 特点 有关 Dies hängt mit den Eigenschaften von Radioteleskopen zusammen

我们 刚才 已经 说 过 了

如果 我们 想 可 分辨 的话 要 满足 瑞利 判据 对 不 对 Wenn wir unterscheidbar sein wollen, müssen wir das Rayleigh-Kriterium erfüllen, richtig?

而 对于 射电 望远镜 来讲 Für Radioteleskope

射电 望远镜 的 特点 是 它 的 光 的 波长 比较 长 是 吧

它 的 波长 比较 长

而且 我们 为了 分辨 很 遥远 的 星球 Und wir versuchen, sehr weit entfernte Planeten zu unterscheiden

我们 要求 它 可 分辨 的 角度 θ 它 必须 要 小

咱们 来看 这个 公式

在 波长 很长 的 时候 要 让 θ 很小 唯一 的 方法 是 什么

要 让 d 尽量 的 什么 大 一些 对 吧 Mach d so groß wie möglich, richtig?

所以 它 的 孔径 必须 得 非常 大

孔径 d 必须 得 大

比如说 我们 中国 有 一个 特别 大 孔径 的 射电 望远镜

就是 那个 Fast 中国 天眼 Fast 在 贵州 是 吧 Es ist das Fast China Sky Eye Fast in Guizhou, richtig?

这个 Fast 它 的 工作 波长 是 0.1 米左右 Die Arbeitswellenlänge dieses Fast beträgt etwa 0,1 Meter

它 的 孔径 d 达到 了 500 米 这么 大 是 吧 Seine Öffnung d ist so groß wie 500 Meter, richtig?

它 为什么 要 搞 这么 大

如果 你 这个 孔径 太小 的话

你 根据 瑞利 判据 你 是 没有 办法 分辨 很小 的 角度 的

那 你 为了 看到 很 遥远 的 星球 对 吧

看到 它们 的 结构 你 就 必须 得 用 一个 很大 孔径 的 Um ihre Struktur zu sehen, muss man eine sehr große Öffnung verwenden

所以 世界 上 各个 地区 都 在 建设 大 孔径 的 射电 望远镜

那么 如果 我们 想 观测 到 黑洞 的话

我们 需要 多大 的 一个 射电 望远镜 这个 我们 得算

比如说 我们 现在 观测 两个 黑洞

有 一个 黑洞 是 室女座 处女座 的 这个 M87

这个 黑洞 是 吧

这个 黑洞 大概 有 多 大 呢

它 的 尺寸 大概 是 1000 亿 公里 Seine Größe beträgt etwa 100 Milliarden Kilometer

那 这个 是 非常 大 的 一个 孔径 Das ist ein sehr großes Loch

但 它们 离 我们 也 非常 远 是 吧

有 5500 万光年 55 Millionen Lichtjahre

这么 远 到 我们 的 眼睛 在 这儿

这个 时候 这个 很大 尺寸 的 黑洞 到 我们 的 眼睛

就 会 有 一个 角度 Es wird einen Winkel geben

那 这个 角度 我们 就 可以 算 出来 这个 角度 非常 小

大概 是 多少 1.2×10^-8 度 这么 小

你 必须 把 这么 小 的 一个 角度 给 我 分辨 开 Sie müssen mich von so einem kleinen Winkel unterscheiden

人 的 眼睛 是 没戏 的 对 吧

人 的 眼睛 最 多 只能 分辨 0.008 度 Das menschliche Auge kann höchstens 0,008 Grad unterscheiden

人家 是 1.2×10^-8 度 Es ist 1,2 × 10 ^ -8 Grad

那 这么 小 的 一个 角度 你 怎么 去 把 它 放大 呢

要 用 射电 望远镜 咱们 来算 一算

我们 这个 射电 望远镜 它 用 的 波长 大概 是 1.3 毫米

如果 我们 把 这个 角度 代入 到 瑞利 判据 去 算 Wenn wir diesen Winkel in das zu berechnende Rayleigh-Kriterium einsetzen

你 就 会 发现 这个 孔径 d 它 必须 得 大于 8000 公里

也就是说 你 得造 一个 8000 公里 那么 大 的 一个 锅盖

你 才 能够 把 这个 室女座 的 这 中间 黑洞 给 看清楚 对 吧

但是 你 在 地球 上 地球 的 半径 才 6400 公里

你 怎么 搞 出个 8000 公里 的 望远镜

这 就 使用 了 这个 技术 了 就是 VLBI 技术 是 吧

它 的 这个 做法 是 什么

VLBI 它 的 做法 就是 我们 其实 并不一定

非得 把 地球 上造 出 这么 大 的 一个 望远镜 Musste so ein großes Teleskop auf der Erde bauen

比如说 这个 反射式 望远镜 我们 光 在 这 两个 地方 反射 In diesem Spiegelteleskop zum Beispiel wird unser Licht an diesen beiden Stellen reflektiert

其他 地方 我 可以 擦掉 对 不 对

所以 人们 就 想到 一个 办法

说 我们 在 地球 上 不同 的 部位

这 是 个 地球

我们 在 地球 上 不同 的 部位 分布 的 放 一些 望远镜

然后 让 这个 光线 照射到 望远镜 上

然后 我们 这个 望远镜 把 这 光线 给 反射 回来 Dann reflektiert unser Teleskop das Licht zurück

反射 到 同样 的 一个 地方 是 吧

反射 到 同样 一个 地方

这些 光线 一 反射 我们 根据 这些 数据 一 处理 Diese Strahlen werden reflektiert und wir verarbeiten sie gemäß diesen Daten

我们 就可以看 出来 了 吗

它 其实 并不需要 真的 把 这些 光线 反射 到 一个 地方

而是 他 只要 把 这些 数据 记录下来

然后 通过 电脑 去 合成 就 可以 了

那么 为了 保证 同步 他们 必须 得 有 一个 什么

得 有 个 原子钟 对 吧

它 通过 原子钟 高精度 的 对齐 时间

然后 记录 数据 记录 数据 之后 用 计算机 处理 Nehmen Sie dann die Daten auf und verarbeiten Sie die Daten dann mit einem Computer

这个 技术 就 叫 VLBI 技术

那么 人们 利用 VLBI 技术 最 成功 的 一次 就是 这回 了

我们 观察 黑洞 观察 黑洞 这件 事 很早以前 就 开始 了

在 2012 年 的 时候

美国 亚利桑那州 一大堆 天文学家 们 开了个 会

说 我们 要 观察 黑洞

怎么 观察 呢 就 用 这个 VLBI 技术 是 吧

然后 给 这个 计划 起 了 个 名字 叫 EHT

EHT 叫 事件 视界 望远镜 是 吧 EHT ist das Event Horizon Telescope, richtig?

就是 把 这些 望远镜 组合 起来 起 了 个 名字

那么 这个 计划 观察 的 目标 有 两个

一个 就是 银河系 中心 的 那个 黑洞

银河 中心 有 一个 黑洞 这个 黑洞 离 我们 比较 近

但 它 也 没有 那么 大

还有 一个 就是 室女座 那个 M87

我们 这次 拍 的 照片 就是 M87

它 非常 大 但 它 离 我们 很 远

这 两个 黑洞 看起来 差不多 大 看起来 差不多

然后 他们 在 什么 时候 开始 观测 的

就是 在 2017 年 两年 以前 2017 年 的 4 月

全世界 八个 地方 的 射电 望远镜

同时 对 着 这 两个 黑洞 进行 观测

连续 记录 了 五天 的 时间

说 为什么 还要 记录 那么 长时间 拍 一下 不 就行了 吗

不行 为什么

因为 这些 个 望远镜 它 的 光强 不够 对 吧

随着 地球 的 自转 它 得 多 记录 一些 数据

地球 一转 那 望远镜 不 就 看起来 更 多 了 对 不 对

每个 望远镜 的 位置 都 会变

这样一来 他 就 观测 了 五天 记录 了 五天 的 数据

这个 数据量 非常 大 大概 有 多 大 的 数据量 呢

大概 有 十个 Pb

十个 Pb 是 什么

一个 Pb 是 1024T Ein Pb ist 1024T

1T 是 1024G 1G 是 1024M 对 吧

所以 这个 P 是 非常 非常 大 的 一个 单位

这么 多 的 数据 我们 用 网线 来传 不行 Wir können das Netzwerkkabel nicht verwenden, um so viele Daten zu übertragen.

为什么 不行 因为 有些 观测站 在 南极 你 知道 吗

那 地方 没有 网线

只能靠 硬盘

南极 那些 硬盘 往回 运 就 等 了 好多个 月 Es dauerte viele Monate, bis diese Festplatten in der Antarktis zurückgeschickt wurden.

为什么 因为 南极 很多 个 月 都 是 不能 飞机 的

所以 他们 等 了 很 长时间

后来 把 硬盘 运到 了 两个 地方

一个 是 德国 的 马克斯 普朗克 射电 所

还有 一个 就是 美国 的 麻省理工学院

然后 在 这些 地方 他们 就 对 这些 数据 进行 分析

你 要 知道 对 这些 数据 进行 分析 其实 是 非常复杂 的

为什么 呢

首先 就是说 这 数据量 非常 庞大 处理 起来 很 困难 对 吧 Zunächst einmal ist die Datenmenge sehr groß und schwer zu verarbeiten, oder?

其次 还有 一个 问题

就是 你 其实 并不知道 黑洞 是 什么 样子 的

你 要 通过 这些 数据 去 勾画出 黑洞 的 样子 Sie müssen diese Daten verwenden, um zu skizzieren, wie ein Schwarzes Loch aussieht

这 就 好像 有 一个 人 他 遭遇 了 歹徒 到 了 公安局 Es ist, als wäre ein Mann einem Gangster begegnet und zur Polizeiwache gegangen It’s as if someone had encountered a gangster and went to the Public Security Bureau

公安局 的 人 问 他 说 歹徒 长 什么样

我 给 你 画个 像 是不是

你 要 通过 他 描绘 的 这些 东西 来 画个 像

那么 假如 我们 找 一个 人来 画 的话

那 这个 人 就 有 可能

往 他 自己 心目 中 歹徒 的 样子 去 画 对 吧 Zeichne, was er von einem Gangster hält, richtig?

他 觉得 歹徒 长 这个 样 他 就 画成 这个 样子 是 吧

那 我们 为了 避免 这种 现象 怎么办 Was können wir also tun, um dieses Phänomen zu vermeiden?

我们 就 得 找 不同 的 团队

用 不同 的 方法 去 还原 这个 数据 Verwenden Sie verschiedene Methoden, um diese Daten wiederherzustellen

如果 我们 发现 最后 的 数据 是 一样 的

我们 就 说 黑洞 就长 这样

如果说 他们 的 数据 不 一样 结果 不 一样

怎么办 重 来 wie es wieder geht How to do it again

什么 时候 大家 都 统一 了

什么 时候 黑洞 就长 这个 样子 对 吧

所以 我们 现在 看到 的 黑洞 照片

是 很多 个 团队 一起 做 出来 的

最后 他们 都 统一认识 就长 这个 样子 是 吧

最后 咱们 还 可以 再说 一下

就是 关于 这张 黑洞 照片

它 给 了 我们 什么样 的 一些 信息

我们 首先 来说 一说 黑洞 是 什么

爱因斯坦 告诉 我们

说 这个 大 质量 的 天体 可以 引起 时空 的 扭曲 Sagte, dass dieser massive Himmelskörper eine Raum-Zeit-Verzerrung verursachen kann

比如 太阳 就是 大 质量 天体

它 就 会 引起 时空 的 扭曲

但是 太阳 对 空间 和 时间 的 扭曲 程度 不大 是 吧

所以 地球 可以 在 太阳 的 旁边 一圈 一圈 转 So kann sich die Erde neben der Sonne im Kreis drehen

如果 有 一个 光 一个 物体 光速 运动

那 它 不管 在 什么 位置 它 都 可以 逃离 太阳 是 吧

因为 太阳 的 这个 引力 势阱 不够 深 Weil der Gravitationspotentialtopf der Sonne nicht tief genug ist

但是 如果 是 黑洞 的话 这 就 不 一样 了

黑洞 就 说明 它 的 引力 势阱 非常 的 深

于是 黑洞 会 出现 一个 边界

这个 边界 叫 视界 This boundary is called the horizon

出现 一个 视界

中间 这个 点 叫 奇点

奇点 就是 势阱 最深 的 那个 点 密度 无穷大 的 点 Die Singularität ist der Punkt mit unendlicher Dichte im tiefsten Potentialtopf.

如果 要是 光在 这个 视界 外边

它 还是 可以 跑掉 的 因为 光速 比较 大

就 好像 我们 那个 小球 小球 有点 速度 Es ist, als hätte unser kleiner Ball ein wenig Geschwindigkeit

就 可以 从 这个 山坑 里边 跑 出来 了 是 吧 Du kannst aus dieser Grube rennen, richtig? You can run out of this pit, right?

就 可以 跑掉

但是 如果 这个 光是在 视界 里边

它 是 绝对 不 可能 再 回去 的

因为 它 速度 就算 达到 光速 它 也 出不去

它 只能 往 中间 的 奇点 里 掉 最后 就 掉进去 了 是 吧

所以 一切 进 了 视界 的 东西

它 都 不 可能 再 出来 包括 光 在内

那 有人 就要 问 了

说 这个 黑洞 的 所有 的 东西 都 已经 进 到 奇点 里边 去 了 Sagte, dass alles in diesem Schwarzen Loch in die Singularität eingetreten ist

我们 不 就 看不见 黑洞 了 吗

没关系 它 视界 外边 还 有些 东西 吗

就 比如说 我们 昨天 看到 的 黑洞 大概 长 这个 样子

中间 其实 就是 一个 奇点

但是 这个 奇点 我们 是 看不见 的 它 是 黑 的

奇点 附近 有 一个 视界

这个 视界 里边 我们 也 什么 都 看不见

但是 外边 有 一个 圆形 的 这个 亮斑 这是 怎么回事

就是 因为 奇点 会 对 周围 的 恒星 有 引力 It’s because the singularity has a gravitational force on the surrounding stars

于是 恒星 的 一些 物质 就 会 被 吸引 到 奇点 附近 Ein Teil des Materials des Sterns wird also von der Singularität angezogen Then some matter of the star will be attracted near the singularity

绕 着 这个 奇点 这个 转

所以 这些 物质 就 可以 被 我们 所 观测 到

它 其实 没有 进入 视界 它 是 在 视界 外边 对 不 对

为什么 会 发光 因为 恒星 过来 的 时候 它 引力 做 正功 Warum leuchtet es, weil wenn ein Stern vorbeikommt, seine Gravitationskraft positive Arbeit leistet? Why does it glow because when a star comes over, its gravitational force does positive work

这些 物质 势能 会 下降 势能 一 下降 它 动能 会 增长 Die potentielle Energie dieser Substanzen nimmt ab, und wenn die potentielle Energie abnimmt, steigt ihre kinetische Energie.

这些 物质 相互之间 碰撞 动能 一 增长 了 Die kinetische Energie der Kollisionen zwischen diesen Stoffen nimmt zu

我们 知道

温度 是 衡量 物体 杂乱无章 运动 程度 的 一个 标志 Die Temperatur ist ein Maß für die chaotische Bewegung von Objekten

它 温度 就 会 上升

它 温度 一 上升 那 它 不 就 辐射 了 对 不 对 Sobald die Temperatur steigt, strahlt es, oder?

这 就是 它 辐射 的 这个 来源

所以 这个 光 就 被 我们 观测 到 了

而且 因为 这个 黑洞 在 旋转 所以 我们 会 发现 Und weil sich dieses schwarze Loch dreht, werden wir es finden

如果 它 这个 物质 离 我们 越来越近

这种 情况 我们 会 发现 光发 的 频率 比较 高 In diesem Fall werden wir feststellen, dass die Frequenz der Lichtemission relativ hoch ist In this case, we will find that the frequency of light emission is relatively high

这 就 叫 多普勒 效应

如果 离 我们 越来越 远离 的话

这么 转 离 我们 远离 的话 那 这个 频率 就 比较 低

这 叫 多普勒 效应 Es heißt Doppler-Effekt

所以 我们 看到 那张 照片 是 有 地方 亮 有 的 地方 不亮 的

实际上 亮不亮 都 是 人为 处理 过 的 Tatsächlich wird künstlich verarbeitet, ob es hell ist oder nicht.

因为 它 是 在 这个 微波 红外 的 区域 人眼 是 看不见 的 Es ist für das menschliche Auge unsichtbar, da es sich in diesem Mikrowellen-Infrarotbereich befindet

那个 颜色 都 是 我们 加上 去 的

另外 这 M87 还有 一个 特点 就 会 产生 喷流

就 有些 物质 会 在 中间 喷出来 形成 一个 喷流

这个 喷流 非常 大 大概 长度 有 几千 光年

这么 大 的 喷流 里边 全都 是 等离子体

那 我们 那个 照片 我们 为什么 没有 看见

那 是因为 我们 是 集中 在 一个 很小 的 范围 内

所以 看不见 喷流

但是 如果 我们 把 这个 角度 调大 一点 But if we increase this angle

我 就 会 发现 那边 有 很长 的 喷流 了

喷流 其实 我们 照片 已经 拍过 了

就是 那个 哈勃 望远镜 就 曾经 帮 我们 拍过

这 就是 黑洞 照片 的 一些 特点

那么 有人 可能 会 问

说 我们 为什么 要花 这么 大 力气 去 研究 这个 东西

这 是因为 我们 要 验证 一个 很 重要 的 物理 结论 Denn wir wollen eine sehr wichtige physikalische Schlussfolgerung verifizieren

那 就是 爱因斯坦 的 广义 相对论

我们 依靠 太阳

已经 验证 了 爱因斯坦 相对论 中 的 一些 结论 了

比如说 光线 经过 太阳 之后 它会 弯曲 是 吧

但是 这 是 在 弱 引力场 中 的 Aber das ist in einem schwachen Gravitationsfeld

在 强 引力场 比如 黑洞 这种 情况 下

爱因斯坦 相对论 还 成立 不 成立 我们 不 知道

现在 我们 终于 知道 了

通过 拍 了 这张 照片 进一步 证实 了 爱因斯坦 是 对 的

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