科学家花了几天拍照,两年“洗相”——黑洞什么样?这次有图有真相

黑洞,宇宙中的当红“大咖”,天文学界、物理学界的“宠儿”。巨大的质量、近乎于零的体积、吞噬一切的引力、无限高的时空曲率,就连光也无法逃脱它的“魔爪”。

自20世纪开始,人们对黑洞的探秘就从未停止过。然而,经过全球200多位科学家数年的努力,直到今年的4月10日,人们才真正看到第一张黑洞照片。

过去科学家如何确定黑洞的存在?如今给黑洞“拍照”有何难点?“相机”在哪些方面取得了突破?首次“拍照”黑洞的尝试,对象选择有何“诀窍”?

隐形的它刷足存在感

“黑洞体积很小,而且与地球的距离非常遥远,限于单个望远镜的分辨率,我们无法直接看到黑洞。”中国科学院国家天文台研究员苟利军告诉笔者。

虽然看不到它,但科学家很早之前就预知了它的存在。早在十八世纪,数学家拉普拉斯等人基于经典的牛顿万有引力,提出了“暗星”的存在,这可以算是黑洞概念的雏形。1915年,爱因斯坦提出广义相对论,给出了后世皆知的爱因斯坦场方程。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,表明如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——事件视界面,一旦进入视界面,即使光也无法逃脱。美国物理学家约翰·惠勒将之形象地称为“黑洞”。

自史瓦西得到黑洞的第一个解之后,许多物理学家也开始投身到对这种“不可思议的天体”的研究中。20世纪30年代,美国的“原子弹之父”奥本海默研究发现,恒星在一定环境下可以坍缩形成黑洞,这种观点在近几十年的数值计算中得到了证实。

随着天文观测技术的发展,对于天体的研究显然不会仅仅停留在计算的层面。但问题是,黑洞不同于其他天体,它既然连光都能吞噬,人类又怎能在茫茫宇宙中发现黑洞呢?

“科学家可通过测量黑洞对周围天体的作用和影响,如吸积盘、喷流现象等,间接观测或推测黑洞的存在。”苟利军表示,物质在被吞噬时,会沿螺旋状轨道靠近并落入中心的黑洞,从而在黑洞周围形成圆盘状的吸积盘。在黑洞的引力下,吸积盘内物质落入黑洞的速度极快,物质之间的摩擦使它被加热至数十亿摄氏度的高温,从而发出辐射。黑洞“吸食”周围的天体物质时,部分气体在被“吃”之前会沿着旋轴的方向喷射出高能粒子,这便是喷流。

吸积盘和喷流都是宇宙中极为明亮的现象。1964年,美国科学家利用探空火箭在天鹅座区域偶然发现了一个非常明亮的X射线天体,科学家将其命名为“天鹅座X-1”。它成为了人类发现的第一个黑洞候选体。此后,人们陆续发现了大量黑洞,这其中包括质量与天鹅座X-1差不多、相当于几十倍太阳质量的恒星级黑洞,也包括几十万、上百万倍太阳质量的超大质量黑洞。此前有科学家估算过,质量高于10个太阳质量的黑洞数目应该多于1亿个。

视界面望远镜“大展拳脚”

仅仅通过间接信息来观测黑洞显然已经无法满足科学家们的好奇心了。2017年4月5日,由位于南极、智利、墨西哥、美国、西班牙的8台亚毫米波射电望远镜同时对黑洞展开观测,利用甚长基线干涉测量技术(VLBI)将这8台望远镜构建成一个口径等同于地球直径的超级“虚拟”望远镜——视界面望远镜(EHT)。

“吸积盘的辐射主要是在可见光、紫外以及X射线波段。”苟利军说,但在吸积盘之外,黑洞周围还会存在不少高速运动的自由电子,这些速度接近光速的电子在电磁场的作用下会产生射电波段的同步辐射,从而为视界面望远镜“拍照”创造了条件。

“本次观测黑洞的亚毫米波段是射电波段中最短的部分,而虚拟望远镜的口径也扩大到了地球直径大小,使虚拟望远镜的分辨率大为提升,因此可以进行观测黑洞的尝试。”苟利军告诉笔者。

地球直径大小的望远镜是如何炼成的?简单说来,VLBI是把几个小望远镜联合起来,达到一架大望远镜的观测效果。“利用VLBI技术将多台望远镜组网观测时,虚拟望远镜的口径大小取决于其中距离最远的两台望远镜之间的距离。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷在接受笔者采访时表示。

从参与观测的8台望远镜所处的地理位置来看,西班牙格拉纳达市与美国夏威夷莫纳基亚山距离超过10000公里,与地球直径相当。

“两台望远镜构成一条基线。最长的基线能提供目标天体最细致的细节,而参与组网的望远镜越多,基线就越多,就能得到质量越好的合成图像,让人们看到目标天体在不同尺度的细节。”陈学雷说。

科学家们付出诸多努力打造出这台“巨无霸相机”,用了数日进行“拍照”,但“洗照片”的过程却花费了2年时间。为何“冲洗”时间如此之长?

“这类观测的数据处理并非只用一套现成的方法。多台望远镜之间的钟差、望远镜自身状态随时间的微小改变等问题都会影响观测精度。另一方面,‘拍照’对象黑洞本身也在不断变化,科学家需要探索新方法对‘相机’进行校准,建立模型,以提升合成图像的质量和精度。”陈学雷指出,数据处理过程中需要根据处理结果不断调整运算方法,加之数据量巨大,因此用时很长。有报道称,为了处理这些海量数据,美国麻省理工学院等机构的科学家开发了新算法,以加快数据分析。

工作在射电波段的视界面望远镜正在“刷屏”,但我们是否有更好的选择?中国科学院上海天文台副台长袁峰此前表示,如果用光学望远镜观测黑洞需要达到几公里的口径,红外望远镜需要达到10~100公里口径。

“建设数公里甚至数十公里的单口径光学或红外望远镜显然工程浩大、难以实现,而‘合众之力’的干涉测量技术在上述领域中的应用也尚不成熟。”陈学雷表示,在目前技术水平下利用大口径射电望远镜“组团”观测是最为现实的选择。

选择“拍照”对象有学问

在目前发现的大量黑洞候选体中,科学家为何会“相中”人马座A*黑洞和M87星系中心黑洞进行“拍照”?

“这两个黑洞的视大小是我们所发现的黑洞中最大的两个。”苟利军告诉笔者,视大小指我们从地球上观测天体时,直接看到的天体大小。这取决于天体本身的直径以及它与地球的距离。同样大小的天体距离我们越远,在天空中看起来就越小。

人马座A*黑洞位于银河系中心。“相对来说,人马座A*黑洞并非是我们观测到的最大质量的黑洞,但是它距离地球最近,被看作研究黑洞物理的最佳对象。”苟利军表示,M87星系黑洞则以“胖”著称,其质量估计可达几十亿倍太阳质量。

“以前关于黑洞的证据并不直接,此次‘拍照’能获得最为直接的证据,给两个黑洞‘验明正身’,确认之前的间接观测和推测是否正确,也为今后的研究和观测提供一种检验方式。”苟利军指出。

本次“拍照”还可为一些基础物理研究提供数据或解释天文现象成因,如喷流的形成,科学家们希望能够解释黑洞自旋是否为喷流提供了能量源。而通过观察黑洞视界面的大小和形状,或许能够首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦引力理论。甚至,有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物体,用来验证其它恒星塌缩理论。

百载汲汲求索,今朝何其幸运能够见证第一张黑洞照片问世。当然,掀起黑洞甚至更多神秘天体的“盖头”,今天迈出的仅仅是第一步,未来我们会一直在路上。
于紫月

星夜兼程,我一路累死了八匹快马,终于赶到了洛阳。
这次也许是我最后一次来洛阳,也许不是。
世事无常,谁又说的准呢!
夜如鬼魅,星如点眸,这里间夹着的却是丝丝缕缕,剪不断、理还乱的愁。
突然想吟诗,突然想起了南唐后主的词,这不是第一次,我想应该也不是最后一次。
我是一个刀客。
曾经我也用剑,那时的我很快,也很平静,剑法里总是掺杂着数不尽的诗情,瞒不住的画意。
但是现在我变了,自从她死在我的面前,自从我有了新的牵挂。
所以我不再用剑,所以我开始用刀。
我的刀法里没有诗,也没有画。挥起来的时候也不再从容优雅,而是沉稳,是凝重。
我不知道自己变得如此是为了祭奠,还是为了迎接。但,我确实变了。
如果剑不再是剑,那么,我还是我么?我不懂,也不想知道。
我只知道一直以来我过得很好,直到三天前。
三天之前我得到一个消息,所以我便来了洛阳,一丝不曾耽搁,一刻不曾停歇。
所以,我很累,很想休息一下。
但是,我能休息么?当然不能。
夜很凉,我独自走在这孤独的街上。
我要去见一个人,我要去劝他,劝他不要做一件事。
我知道我很有可能会失败,但我必须去,不论成败。
凌府的大门是关着的,在这无人的深夜,也只能是关着的。
我当然不能潜进去,因为我不是刺客,而是一个说客,所以,我只能等,等到天亮,等到门开。
等人是这世上最孤独的事,等门也一样,特别是一扇不欢迎你的门。
我虽然急匆匆的赶来,虽然我不得不来,但我却不知道等到门开的时候,我该说些什么。
我有些忐忑,有时候忐忑比孤独更能折磨一个人的心智,所以,我也很焦灼。
夜色本是很美,只是有些凉,有些说不出的孤独。
我抬起头来细细的看着这个我曾熟悉的地方,心中突然又多了一丝落寞。
是的,她走了,只剩我一个人。从此,这洛阳便从故乡变成了异乡。
农历四月初五,当太阳慢慢从东方升起的时候,门就开了。
我牵着马,从刚刚开启的大门里迈入,从此……
也许,我无法改变的历史篇章,但,我想去试一试。
凌峰看到我的时候,脸上闪过一丝惊讶,然后就变了,变成了满脸的怒意。
“你来做什么?”
“来劝你!”
“不必了,我意已决!”
“若是我执意而为呢?”
他顿了一下,然后深深的看着我。
“除非你杀了我!”
“你应该知道,我不会,也不能!”
“看来,你还记得她是怎么死的?”
沉默,良久的沉默。我有些无助,有些哀伤。
当年她的死,就是因为我的阻拦。
当年,我们曾约好一起去看洛阳的第一场雪。
但后来,后来只剩我一个人去了。
那一场雪下的好大,也好美,但是,但是,但是只有我一个人。
“你若是去了,只会死。”良久之后,我终于说出了一句苍白无力的话。
“我的心,早在她死的那一刻,也跟着死了。之所以苟活到今日,便是为了替她报仇,所以,我的生死,阁下不必费心。”
他说话的时候,脸上带着的表情我有些看不懂,是愤怒?还是决绝?仰或都有。
“但……”
我知道我该再说些什么,但却偏偏什么都说不出口。
我一直都以为自己还算聪明,却不知道为何此刻却变得笨口拙舌。
“阁下要是没有别的什么事,就请自便吧!”
我走了,就这样走了。
有时候我就在想,我是不是太傻了,明知道劝不动他,却还是要千里迢迢的跑来,明知道再努力也不会有结果,却偏偏又傻的执着。
我本应该在汴京等他,等他来的时候再想办法,可是偏偏,偏偏我却跑过来,做一件没有意义的事。
此去经年,应是良辰美景虚设。
我走了,带着满腔的哀伤,带着苍白无力和无可奈何。
蓬山此去无多路,也许,还有一条路,最后一条路。
汴京的花开的很灿烂,宛若西子的回眸,恰似美人眉心的笑靥。
但我却无心留恋这初春的美景,我在等,等凌峰的到来。
既然拦不住他,就只能替他去做。
也许只有这样,才能减轻我内心的痛苦吧。如果结果只能是一去不回,那就让我做那个一去不回的人吧。

说到胚胎移植,相信各位准爸妈最关心的就是「鲜胚、冻胚、囊胚,哪个移植成功率更高?」,既然如此,那就不得不提一提胚胎的分类及相应的移植方案了。

哪种胚胎成功率高?

鲜胚的优势

胚胎直接来自于体外培养体系,没有经历诸如胚胎冷冻和复苏等环节的干扰,保存了“原汁原味”的发育潜能。而在冻融胚胎移植周期中,胚胎的冷冻和复苏过程,都可能造成胚胎超微结构或生物大分子(DNA、RNA、蛋白酶等)的损坏,从而降低了胚胎的发育潜能。

但凡事都要从两方面来看。因为胚胎冻融过程对胚胎或多或少有伤害,反而经历了如此过程而存活的胚胎,被认为更加“强壮”。也就是说胚胎的冻融过程,实际上起到了一定的挑选胚胎作用。众所周知,经过挑选合格的胚胎,有着更强的着床和发育能力。

囊胚的优势

有利于进一步筛选出发育潜能好的胚胎,囊胚因为比胚胎在体外存活的时间要长,而且分裂出的细胞数量也要多出很多,从体积上来比,也要超出胚胎很多,因此更好的加大了着床的成功率。
从胚胎培养到囊胚,淘汰了具有遗传缺陷和非整倍体率高的胚胎,只有质量好的胚胎才能发育至囊胚期;其次,和子宫内膜更同步,理论上移植囊胚更符合自然规律;再则,子宫收缩降低,减少了囊胚被排出宫腔的风险。

囊胚是卵裂期胚胎之后的一个重要发育阶段,形态上经历了细胞融合、囊胚腔出现及囊胚腔扩张的变化。在这个过程中,发育潜能差及染色体异常的卵裂期胚胎发育将停滞,质量好的卵裂期胚胎才能发育至囊胚期。因此选择性囊胚移植既能提高累积妊娠率,并不降低每移植周期妊娠率,又能降低多胎妊娠率,减少卵巢过度刺激的风险。

目前生殖医学界认为,囊胚在周期妊娠率优于新鲜胚胎,尤其是经PGD检测后的胚胎移植妊娠率有明显优势,但鲜胚和冻胚的妊娠率略有差异,但不存在鲜胚优于冻胚,或冻胚优于鲜胚这一说法,主要基于胚胎本身的质量和女方生理条件。

囊胚,不再神秘

囊胚阶段移植,胚胎的发育与子宫内膜发育同步,可以提高胚胎种植率及妊娠成功率,同时减少胚胎移植数目和减少多胎妊娠的发生,进而淘汰发育潜能不良的胚胎,筛选出更好的胚胎移植入宫腔。这便是众所周知的单囊胚移植策略的优势。

卵细胞受精以后即开始分裂,第4天发育形成融合状或致密状态的桑葚胚。桑椹胚进一步发育,在第5或6天,胚胎内部开始出现了含有液体的囊腔,这个时期的胚胎称为囊胚(Blastocyst)。可见囊胚并不是新品种,是特指第5天和第6天时期的胚胎。

卵子从受精到发育为囊胚直至孵出体外培养全过程

囊胚的结构分为三个部分,聚集在胚胎一侧的细胞称为内细胞团(ICM),日后发育成胎儿;沿透明带内壁排列的细胞称为滋养层细胞(TE),日后发育成胎盘;中间是充满液体的囊胚腔。

囊胚结构

囊胚从开始出现腔隙,称为早期囊胚。囊胚腔扩张越来越大,细胞逐渐增多并且排列紧密,透明带逐渐变薄,直至一部分滋养层细胞开始孵出,最后全部细胞孵出,着床开始啦。

囊胚级别

囊胚的形态并不复杂,大家看到的数字加字母的分级格式便是对囊胚形态最完整的诠释。通常囊胚评分采用 Gardner and Schoolscraft评分系统,分别根据囊胚腔扩张程度,内细胞团(ICM),以及滋养层细胞(TE)评分将囊胚形态区分美丑。
首先我们根据囊胚腔的扩张程度将囊胚分为1~6期:

只有当囊胚腔扩张到4期以上才能称为扩张完全的囊胚,胚胎师们才会进行冷冻保存或移植,囊胚腔扩张程度在3期以下者则继续培养等待进一步的发育扩张。所以细心的朋友们会发现用于冷冻和移植的囊胚主要为4~5期,偶尔也会有完全孵出的6~7期囊胚。同等时间条件下,囊胚腔扩张程度越大,表示这个囊胚发育潜能越高哦。

早期囊胚(EB)至扩张程度3期以下囊胚,均为未完全扩张囊胚,不适于冷冻,建议继续培养等待完全扩张。
接下来,我们再根据内细胞团(ICM)和滋养层细胞(TE)的多少和排列紧密程度将细胞质量分为A-B-C三级:

简单来说,内细胞团和滋养层细胞数目越多,排列越紧密,说明质量越好,评级便越高;细胞数目越少,评级便越低。AA级,AB以及BA级别的囊胚属于优质囊胚,移植后妊娠率可高达80%以上。

囊胚评级一定要结合囊胚腔扩张程度和ICM以及TE细胞数目综合评价,只有扩张程度高并且细胞数目丰富的囊胚才是漂亮的囊胚。

胚胎师如何挑选优质囊胚?

胚胎师其中一个很艰巨的工作是,如何在茫茫胚胎群海中,独具慧眼挑选出最具有发育潜能的那个胚胎?看似一个简单的问题,却成为世界上所有胚胎学家共同的难题。

关于如何判断一枚囊胚“美丑”,也就是一枚胚胎的“好坏”,就好比马拉松比赛,刚起步就要猜出谁是冠军谁是亚军。时至今日,仍有大批科学家们孜孜不倦的探索着这一问题的真相,然而虽然我们在步步接近真相,真相至今仍犹如镜中水月。

那是不是就没有办法看出来呢?其实也并非如此。囊胚选美也是有迹可循的。有经验的胚胎学家根据已有研究结果和数据分析,透过现象看本质,从这早早的小小囊胚中预测这个胚胎将来的发育轨迹。

胚胎质量与妊娠率的关系

有的朋友理所应当认为自己移植的是AA级别的最美囊胚,这次肯定能怀孕了,其实不然。并不等于移植囊胚就百分百能如愿妊娠,囊胚的选择和移植是否能成功,最根本的还是取决于胚胎自我发育潜能,还有胚胎种植的环境。

所谓再标准的“最美”囊胚都仅仅只是形态学评价。实践是检验真理的唯一标准,胚胎师们选取的“最美”囊胚还要放入子宫,等待实践的检验,才能最终确定这个“最美”囊胚到底是不是“最好”囊胚。

end

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