为啥黑洞间隔近了,摄影反而难了

未知 2022-05-17 16:01

为啥黑洞间隔近了,摄影反而难了 

 

继2019年人类首张黑洞相片发布后,又一黑洞的“真容”被摄影到!北京时刻5月12日,我国科学院上海地理台发布了银河系中心黑洞人马座A*(SgrA*)的首张相片。全球其他5个城市(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、我国台北、日本东京、美国华盛顿)也都与上海同步发布了这张令地理学家兴奋的相片。

这张黑洞相片是由事情视界望远镜(EHT)协作安排,通过散布在全球的射电望远镜组网“摄影”而成,它的发布给出了银河系中心人马座A*就是黑洞的实证,为了解这种被普遍认为居于大多数星系中心的“巨兽”供给了名贵的头绪。

“组合”全球射电望远镜为黑洞摄影

由于黑洞不发光,所以咱们看不见黑洞本身,但绕转黑洞的发光气体给出了其存在的信号。

广义相对论预言,黑洞存在,周围时空曲折,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因而气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,看起来就像一片暗影,暗影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射构成的、如新月状的光环。

“完成对黑洞的成像,将为证明黑洞的存在供给直接的视觉依据。”我国科学院上海地理台研讨员路如森表示,银河系中心黑洞间隔地球有2.7万光年之遥,它的大小从地球上看去与从地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要给它成像,就必须要保证望远镜满足活络,能分辩的细节满足小,从而才干保证“看得到”“看得清”。

想要到达上述要求,望远镜的口径就需求到达地球直径的长度。可是,目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只要500米。没有地球那么大的望远镜,怎么才干给黑洞拍张合格的相片?地理学家想到了一个好办法——强强联合。EHT协作安排将散布在全球6个地理位置的8个射电望远镜“组合”起来,构成一个犹如地球那么大的“虚拟”望远镜,它的活络度和分辩力都是前所未有的。

2017年,这8个北至西班牙,南至南极的望远镜向选定的方针撒出一张“大网”,“捞”回海量数据,为咱们勾勒出黑洞的容貌。但留给科学家的观测窗口期十分短暂,每年只要大约10天时刻。

除了观测时刻上的约束,摄影黑洞对气候条件的要求也极为严苛。“由于大气中的水对这一观测波段的影响极大,水会影响射电波的强度,这就意味着降水会干扰观测。”我国科学院上海地理台台长、研讨员沈志强说。

因而这8个望远镜所在之处均坐落海拔较高、降雨量极少、晴天概率十分高的区域。

此外,要成功成像还必须要求所有望远镜在时刻上彻底同步。观测期间,每一个射电望远镜都搜集并记载来自方针黑洞邻近的射电波信号,这些数据被集成用于获得事情视界的图画。沈志强说:“为了保证信号的稳定性,EHT使用原子钟来保证其搜集并记载的信号在时刻上的同步。”

为银心黑洞供给首个直接视觉依据

科学家之前已观测到许多恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的、质量极大的天体作轨迹运动。这已激烈暗示这个被称作人马座A*的天体是一个黑洞,而这次发布的相片则供给了首个直接的视觉观测依据。

2019年,人类发布的第一张黑洞相片,捕获的是更悠远星系M87的中心黑洞M87*。尽管M87*比银河系中心的黑洞人马座A*大了1500多倍,也重了1500多倍,但两个黑洞看起来分外类似。

“它们来自两种不同类型的星系,且具有极不相同的黑洞质量,但当咱们聚集在这两个黑洞的边际时,它们看起来又奇特地类似。”来自荷兰阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席萨拉·马尔科夫教授说:“这告诉咱们,靠近黑洞的物体彻底受广义相对论分配,咱们在远场所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异构成的。”

尽管人马座A*离地球更近,可是为其摄影相片却比M87*艰难得多。来自美国斯图尔德地理台、亚利桑那大学地理系和数据科学所的科学家Chi-kwanChan解释道:“周围气体均以简直接近光速的速度绕着人马座A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需求几天到数周的时刻,但对于小许多的人马座A*来说,几分钟内气体即可绕转一周。这意味着在EHT观测人马座A*时,该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。给人马座A*摄影有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰相片。”

这项效果的完成,集结了来自全球80个研讨机构共300多名研讨人员的奇思妙想。除了开发杂乱的工具来克服人马座A*成像面对的挑战外,EHT协作安排还花了5年时刻,用超级计算机组成和剖析数据,编纂了前所未有的黑洞模仿数据库与观测成果进行严格比对。

未来EHT将拍一部黑洞“电影”

“现在咱们能就这两个超大质量黑洞的差异打开研讨。”来自地理与天体物理研讨所的科学家KeiichiAsada表示,“使用已有的两个质量相差1500倍以上的黑洞的相片,咱们将能够进一步查验极端环境下的引力。”

人马座A*的相片是由2017年EHT观测数据中提取的诸多相片组合制造而成的。在尔后的2018年、2020年和2021年,EHT协作安排并未停止观测研讨的脚步。而且,EHT的台站数量还在不断添加,在2018年新添加了包括格陵兰望远镜在内的3个新的台站,观测阵掩盖范围进一步扩大。

在未来的方案里,更多的望远镜将被用来扩展EHT观测阵,比如现已建成的欧文斯山谷射电地理台和行将制造的非洲毫米波望远镜。除了望远镜数量的添加,从2023年开端,EHT将进行0.87毫米波段的观测,相比于相同情况下的1.3毫米波段的观测,分辩率提升了近50%。而人马座A*和M87*仍是EHT协作安排最重要的科学观测方针,地理学家正在探求它们是怎么随时刻变化的,并对其周围磁场打开研讨。

EHT数量的持续扩展和技术革新将使得科学家能够分享更多引人注目的地理相片,乃至是黑洞“电影”。“运用下一代EHT摄影这样一部银河系中心黑洞的‘电影’,是地理学家的寻求。”沈志强说,“咱们正在规划建造我国的亚毫米波VLBI望远镜,以期参加到对人马座A*的24小时不间断的接力观测中。”

我国科学家长时刻重视高分辩率黑洞成像研讨。此次的EHT协作中,我国科学家积极参加了前期EHT国际协作的一起推动、EHT观测时刻的一起申请、夏威夷麦克斯韦望远镜的观测运行,以及后期数据处理剖析等。

沈志强说:“咱们还将把望远镜对准其他方针源,制造更多‘甜甜圈’。由于其他‘甜甜圈’更迷你,所以需求更高的角分辩率,建造空间望远镜或能够完成这一方针。”

 

标签