射电望远镜网络“虚拟”望远镜实际拍摄了一个黑洞

时间:2019-04-12 14:21:20 编辑:xiaobai/彩虹岛 浏览:
ALMA阵列的照片,一组带有大盘子的射电望远镜

全球各地的望远镜网络 - 包括智利的ALMA(部分显示在这里) - 联手创建了Event Horizo​​n望远镜。它是一个几乎与地球一样大的虚拟无线电盘。

黑洞是相机害羞。它们的极端重力可以防止光线逃逸。这意味着这些宇宙重击手的黑暗心灵仍然是完全看不见的。然而,星系中心的超大质量黑洞可以通过喷出明亮的带电粒子射流来消除它们。其他人可能会被附近的星星的光线“看到”,他们会扔掉或撕裂。近距离,这些庞然大物被吸积盘包围 - 发光盘由吸入其中的材料制成。

解释者:什么是黑洞?

科学家们现在巧妙地建立了一个由八个射电望远镜组成的网络。作为一体,他们有效地在地面上制作一个地球大小的眼睛。他们刚刚拍摄出黑洞事件视界的轮廓- 内部没有任何东西可以看到或逃脱。可以看到黑洞的吸积盘。

2017年4月,这个所谓的事件地平线望远镜(EHT)收集的数据现在已经产生了超大质量黑洞的第一张图像。它坐落在M87星系内。

“没有比拥有图像更好的了,”Avi Loeb说。他是马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的天体物理学家。虽然科学家在过去的半个世纪中收集了大量关于黑洞的间接证据,但他指出“眼见为实”。

然而,创造有史以来第一个黑洞的肖像是很棘手的。黑洞占据了一小撮天空。而且它们离得太遥远,以至于它们周围的光晕似乎非常微弱。M87黑洞成像项目需要全球八个观测站。通过作为一个虚拟无线电盘,他们的视野将比任何一个独立工作的天文台更清晰。

将'解决方案'放在解决方案中

M87内部的超大质量黑洞是不小的鱼苗。它的重量约为太阳质量的65亿倍。但从5500万光年远的地方看,它似乎是天空中最小的光点。它比地球上某人看到的月球上的橙色要小。尽管如此,除了射手座A * - 我们银河系中心的黑洞 - M87的黑洞是天空中最大的黑洞。

一张地图,显示了为Event Horizo​​n望远镜连接在一起的射电望远镜

获得黑洞的第一张照片需要连接成对的射电望远镜,这些望远镜跨越很远的距离 - 几乎整个地球。

只有具有EHT分辨率的望远镜才能挑选出如此微小的东西。望远镜的分辨率取决于其直径:碟子越大,视野越清晰。因此,即使是超大质量黑洞也能获得清晰的图像需要一个行星大小的无线电盘。

“诀窍在于你没有用天文台覆盖整个地球,”Loeb解释说,他没有参与EHT。相反,天文学家将许多望远镜看到的无线电波同时组合在一起。这使得望远镜有效地作为一个巨大的盘子工作。该虚拟盘的直径等于网络中两个望远镜之间的最长距离或基线的长度。对于2017年的EHT,这是从南极到西班牙的距离。

望远镜,组装!

EHT并不总是今天的热门阵列。2009年,只有四个天文台的小型网络 - 在亚利桑那州,加利福尼亚和夏威夷 - 成像了从M87黑洞中心喷出的一架等离子喷气机的基础。但这个小型望远镜网络还没有放大力来揭示黑洞本身。

随着时间的推移,EHT计划招募了新的无线电观测台。到2017年,北美,夏威夷,欧洲,南美洲和南极共有8个观测站。新成员中有阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列,或ALMA。它位于智利北部的高原上。ALMA比美式橄榄球场的面积更大,收集的无线电波比其他天文台要多得多。

“ALMA改变了一切,”Vincent Fish说。他是麻省理工学院位于马萨诸塞州韦斯特福德的干草堆天文台的天文学家。它可以提供“现在非常可靠的探测”,他说,“你以前几乎没有想过要发现的任何东西。”

 

智利的Atacama大毫米/亚毫米阵列是Event Horizo​​n Telescope的光采集MVP。它的66种菜肴总面积比美式足球场大。

超过他们各自的总和

EHT观测活动最好在3月下旬或4月初的10天内进行。那时每个天文台的天气都有望提供最清晰的天空图像。研究人员最大的敌人是大气中的水,如雨或雪。它可以混淆EHT望远镜调谐到的毫米波长无线电波。

规划几大洲的天气可能会令人头疼。

Geoffrey Bower在夏威夷希洛的中央研究院天文学和天体物理学研究所工作。这位天文学家在EHT活动期间的“每天早晨”都指出,“有一组狂热的电话和天气数据分析以及望远镜的准备情况。”之后,“我们为夜间观察做出了决定/不做决定。”研究人员对条件很挑剔。但是在跑步的尾声,他们将采取他们可以得到的东西。

当天空足够清晰可见时,研究人员将每个EHT天文台的网络望远镜引导到超大质量黑洞的附近。然后他们开始收集无线电波。M87的黑洞和Sgr A *一次出现在天空中。每个人都会随着其他人的兴起而上升。这允许EHT在单个多日活动的过程中在观察其两个目标之间来回切换。所有八个天文台都可以跟踪Sgr A *。由于M87位于北方天空,南极站的景象无法看到。

超大质量黑洞M87的带电亚原子粒子喷气机的图片

从M87的超大质量黑洞中可以看到明亮的带电亚原子粒子射流。这些喷气式飞机延长了数千光年(如哈勃太空望远镜图片所示)。研究人员希望事件地平线望远镜的观察将有助于揭示这种宇宙灯光秀的起源。

哈勃遗每个观测站的数据本身看起来都像废话。但综合起来,这些数据可以揭示黑洞的外观。

这是它的工作原理。想象一对针对单个目标的无线电盘。在这种情况下,它是黑洞的环形轮廓。

从该环的每个位发出的无线电波必须经过稍微不同的路径才能到达每个望远镜。这些无线电波可以相互干扰。有些人会相互加强。其他人有时会互相取消。每个望远镜看到的波浪模式取决于来自环的不同部分的无线电波在到达望远镜时如何相互作用。

对于简单的目标,例如单个恒星,只需两个望远镜拍摄的无线电波就可以为研究人员提供足够的数据,以确定光线如何在天空中分布。但黑洞是一个复杂的光源。对于图像来说,有太多可能的解决方案。因此,研究人员需要更多的数据来确定黑洞的无线电波是如何相互作用的。

理想阵列具有尽可能多的不同长度和方向的基线。相距较远的望远镜对可以提供更精细的细节。那是因为无线电波从黑洞到每个望远镜的路径之间存在更大的差异。EHT包括具有南北和东西方向的望远镜对。随着地球的旋转,这些相对于黑洞会发生变化。

把它们拉在一起

为了将每个天文台的观测结果编织在一起,研究人员需要非常精确地记录他们收集数据的时间。因此,天文学家使用原子钟(每1亿年失去一秒钟的原子钟)。

时间戳有很多数据。“在我们的上一次实验中,我们以每秒64千兆位的速度记录数据。”Bower解释说,“大约是家庭互联网连接的1000倍[快于]”。

然后将这些数据传送到麻省理工学院的Haystack天文台和德国波恩的马克斯普朗克射电天文学研究所。在那里,数据在一种特殊的超级计算机中处理。它被称为相关器。

每个望远镜站在一次观察活动中聚集了数百TB的信息。通过互联网发送太多了。所以研究人员使用下一个最佳选择:蜗牛邮件。到目前为止,没有发生重大航运事故。然而,鲍尔承认邮寄磁盘总是有点令人头疼。

虽然大部分EHT数据在2017年观测活动的几周内到达了Haystack和Max Planck,但直到11月才有从南极的航班。

填补空白

结合EHT数据仍然不足以渲染超大质量黑洞的清晰图像。如果M87的黑洞是一首歌,那么对EHT数据进行成像就好像是用一堆破碎的键来聆听在钢琴上演奏的那首曲子。更多工作键 - 或望远镜基线对 - 更容易获得旋律的要点。

“即使你有一些破损的钥匙,如果你正确地玩其他所有的钥匙,你可以弄清楚,”Fish说。“这部分是因为我们知道音乐听起来像什么,”他指出。“我们可以重建图像的原因,即使我们没有百分之百的信息,也是因为我们知道图像的外观”。

关于任何给定图片可以包含多少随机性的数学规则 - 例如它应该有多亮以及相邻像素看起来相似的可能性。这些基本指南可以告知计算机软件如何确定哪些数据解释最有意义。

黑洞和更远

预计EHT的黑洞观测将有助于回答诸如包括M87在内的一些超大质量黑洞如何发射这种明亮的等离子喷流的问题。Loeb说,了解天然气如何进入并供给黑洞也可以帮助解决早期宇宙中一些黑洞如此迅速增长的神秘面纱。

解释者:什么是引力波?

勒布说EHT也可以用来找到一对互相绕行的超大质量黑洞。两个相对较小的黑洞相撞,产生了2015年探测到的引力波。对这种黑洞对进行普查可以帮助研究人员确定激光干涉仪空间天线或LISA的目标。它的目标是从太空中搜寻由黑洞等物体运动引起的引力波。

Daniel Marrone说,除了超大质量黑洞外,EHT几乎没有可行的目标。他是图森亚利桑那大学的天体物理学家。宇宙中很少有其他东西像超大质量黑洞周围的空间那样微小但明亮。“你必须能够从真正微小的天空中获得足够的光线,”马龙说。“原则上,我们可以阅读外星人牌照或其他东西,”但他们需要超级明亮。

对外国寻求者来说太糟糕了。然而,间谍超大质量黑洞是一个非常巧妙的技巧。

一对超大质量黑洞的插图

除了成像单超大质量黑洞外,Event Horizo​​n望远镜还可以搜索超大质量黑洞对。它们可以成为激光干涉仪空间天线的天基引力波天文台(称为LISA)的目标。

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