来自黑洞首张神秘照片将公布,黑洞照片的背后

2019-09-20 06:36 来源:未知

你们很多人可能都已经知道,4月10号,我们将看到一张来自于事件视界望远镜的所谓的“黑洞的第一张照片”。我不是观测天体的物理学家,所以我的问题是:他们是如何拍摄这张无线电图像的,它是否与质量更好的旧式射电望远镜一样,还是这张照片背后是否含有新技术?此外,在现有的天体物理学课程中,我看到一些视频,其中一些恒星围绕教授说的SgrA*运行。这不就是黑洞的照片吗?还是我们希望看到不同的东西吗?最后,这些发现,是会对黑洞的研究产生影响,还是只是对我们已知的有更好的认识而已?

我们会看到第一个黑洞的直接图像吗?我相信无数天文爱好者正在期待着黑洞照片发布会的到来!

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事件视界望远镜将成为有史以来有着最高分辨率的望远镜。

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事件视界望远镜项目将于4月10日上午(北京时间4月10日晚21点)公布一项重大黑洞发现!EHT是全球首次拍摄黑洞周围环境照片的任务,虽然EHT团队成员还没有透露结果是什么,但美国国家科学基金会的媒体顾问称这是“开创性的”。因此,我们可以推测这个项目可能已经成功实现了它的主要目标,我们很可能会看到一个壮观的黑洞剪影图像。

位于美国亚利桑那州的多镜面望远镜。

要了解它是如何运作的,可参考以下一些背景知识。该望远镜的分辨率是由θ=1.22λ/D所给出,其中θ是 该望远镜可用来区分的最小角度,而λ是是波长,D则是望远镜的直径。

上述图片由电脑合成的黑洞外观图片,本文都是

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事件视界望远镜是一项全球多个天文观测站的联合合作项目,主要是协调观测射手座A*周围的环境。这些观测结果将回答一些关于长期以来引起我们兴趣的黑洞的实际问题,例如:

位于美国夏威夷的亚毫米波望远镜。

插图示意的是M87中心的超大质量黑洞及其周遭吸积盘。

  1. 正如广义相对论所预测那样,黑洞具有明确的尺寸。

黑洞,称它为宇宙中最神秘的存在也不为过,它是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。多年来,科学家只能通过间接的证据来证明黑洞的存在,由于黑洞的引力非常巨大,连光线都无法逃脱,所以一直披着神秘的面纱。而今晚人类首张黑洞照片即将在全球六地区(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同步发布,这注定是一个不眠之夜!

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目前,我们需要是使得θ尽可能地更小一些,这样我们便可解决人马座A*的黑洞拍摄问题。(或者M87的黑洞,那也是EHT的目标)。

2.事件视界望远镜表明是圆形的,或者相反地,是椭圆形的。

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EHT观测阵列。

显然这也意味着要让λ变小,或者让D变大。通过连接全球各地的多个望远镜,EHT将基本上使D与地球一样大。

3.无线电广播的范围将比你想象的更广。

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4.它将会和预期的行为有一些别的偏差。

当然,拍摄黑洞内部是不可能的,任何离这些引力怪物太近的光都会永远消失。这个不返回的点称为事件视界,这与该项目的名称不谋而合。

位于墨西哥的大型毫米波望远镜。

艺术家笔下黑洞的概念图。周围环绕黑洞的盘状物质即为吸积盘、上方条状物为喷流。该图未考虑黑洞自身造成的重力透镜效应对影像的影响。

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EHT项目并不是一个传统观念的观测平台,而是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列,它将对银河系中央的人马座A *黑洞进行观测,捕捉黑洞周围环境的清晰图像连接了世界各地的多个射电望远镜,形成了一个地球大小的虚拟范围。而且,据了解该项目不仅在观测位于我们银河系的中心的超大质量黑洞,还包括另一个位于M87星系的核心。

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然问题变成了:你要使λ多小才合适?

EHT的主要目标是将整个地球转换成一个大型射电望远镜天线(相当于地球直径大小的射电望远镜)。无线电波观测有很多优点,无线电波可以穿过墙壁时,同样也可以穿过银河尘埃。而我们是不可能在可见光波段看到我们银河系的中心的,因为在这两者之间有太多的物质了。

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位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵。

这纯粹就是一个技术问题—要到达这些遥远的地方的信号,它们必须要相互关联。同时,这需要非常稳定,依靠时间同步接收器,确保它们之间可快速连接。

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中国航空报讯:人类史上第一张黑洞照片诞生的背后是科学家们调动了全球从两极到赤道共8个天文台的力量进行图片数据拍摄,之后,又有来自全球的62家科研机构共同参与, 花费了2年时间冲洗照片才有的成果。

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但是由于银河系中心的无线电波信号非常弱,所以需要很大的天线。世界上最大的单天线射电望远镜直径约为500米,但它所产生的月球图像将比我们通过小型光学望远镜所看到的图像更加模糊。黑洞非常遥远,而且非常致密,所以拍一张银河系中心黑洞的照片就相当于在月球上拍一枚硬币的照片,而且还要用射电望远镜。

那么科学家到底要怎么样才能给黑洞拍照呢?要知道观测银河系的中心十分困难,银河系中心的黑洞被称为人马座A*。尽管其质量是太阳质量的400万倍,在天文学家的眼中却显得十分渺小。而且银河系的中心和我们之间隔着大量的尘埃和气体,只有很少一部分光能从那里到达地球,我们可以通过采集X射线、红外线以及无线电波来透过尘埃和气体窥视银河中心。即使如此,分辨包含银河系中心黑洞的那一小片宇宙,看清黑洞的影子还是太难了,那么EHT是怎么做到的呢?

虽然被称为“望远镜”, 但事件视界望远镜(EHT,Event Horizon Telescope)其实是2016年天文学家们发起的一项国际观测项目, 由全球分布的8个射电望远镜组成观测阵列。由于需要极高的灵敏度,射电望远镜分布在多个高海拔地区, 分别是:南极望远镜(South Pole Telescope); 位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment); 墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope); 位于美国亚利桑那州的多镜面望远镜(Submillimeter Telescope); 位于美国夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

黑洞的模拟图片,由电脑合成制作,非直接拍摄

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这些望远镜从南到北横跨7000千米左右,从东到西跨越的距离也差不多,就是如果将它们彼此连线串联起来,它们组成的面积将和地球的视直径差不多,这些望远镜通过甚长基线干涉测量技术 同时观测某个黑洞,基本上可以看作以地球的视面积范围上观察,因此事件视界望远镜也被称为“地球一样大的望远镜”。

在EHT之前,这只能在厘米范围之内的波长下进行。理想的情况下,我们该在光学波长下进行此项操作,这样我们才能在明面上拍摄照片,截至目前,我们在该项技术上还远远不够。而EHT的技术则至少使得λ 推至1.3毫米,较之以前这是一个数量级的推进。

EHT与GMVA之望远镜阵列分布。其中ALMA和IRAM同时属于两个阵营

组成事件视界望远镜的8处观测台多数都是单一望远镜,比如夏威夷的JCMT和南极望远镜;但也有望远镜阵列,比如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成,对黑洞的观测将宏大而细致,可以较好的得出黑洞的具体样貌。

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给这么小的东西拍照意味着我们需要一个相当大的望远镜,直径大约10000公里,这是不切实际的,因为地球的直径才刚刚超过13000公里直径。而一个解决方法被EHT正式通过,就是通过协调位于彼此很远的地方的射电望远镜进行的测量。但即使是现有望远镜的两倍,当它们接近作为1万公里的天线功能时,也会在数据上留下巨大的缺口。

原来科学家采用了一种非常特殊的测量技术,将地球西半球的多个射电望远镜联合起来,共同观测,实现了毫米波的分辨率!简单来说就是通过协调世界各地现存的射电望远镜来模拟一台地球大小的望远镜。借助其比哈勃望远镜高1000倍的分辨率,EHT可以观测到最后进入黑洞事件视界的旋流。

这次黑洞成像的背后英雄还有甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI) 技术。VLBI利用广为分布(距离可达上万或几十万千米) 的射电望远镜,通过各台站独立记录信号和后期对信号的综合相关处理,获得一个大小相当于各台站之间最大间距的巨型望远镜。该技术可取得天文研究中最高的分辨本领。

这可使EHT降低至几十弧秒。而这个人马座A*黑洞的施瓦氏半径距离地球约为10弧秒。所以这意味着EHT将能够拍摄人马座A*周围的吸盘,而不是黑洞本身的照片,但这肯定比我们以前所做的更接近了。

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距离黑洞发布时间不到一小时了!拭目以待吧!

随着新的、高灵敏度亚毫米波台站加入到全球VLBI阵列,黑洞的成像观测成为可能。

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位于智利阿塔卡马沙漠的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列

EHT于2017年4月首次全面运行,并且在那一次的运行中就取得了全部的黑洞数据。期间,8台射电望远镜对准了一个位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A*(Sagittarius A*), 以及一个M87星系中心的黑洞。其中,人马座A*位于银河系的中心,质量约为太阳质量的四百万倍;另一个更大的黑洞是处女座星系的M87黑洞(Messier 87),质量是太阳质量的70亿倍。

核光谱望远镜阵列用高能X射线捕捉到了银河系中心的超大质量黑洞的第一张聚焦照片1. 射电天文学是如何运作?

正常情况下,一个射电信号将会在稍微不同的时间到达任何两个望远镜。想要从这些信号中提取视觉信息,考虑到这种差异是很重要的,但是地球的大气同样可以减慢无线电波,增大到达时间的差距,破坏在基于干扰量度法的图像上的计算。然后,科学家们采用了一种巧妙的代数方法来解决这个问题:如果你把三个望远镜的测量值相乘,大气噪声引起的额外延迟就可以相互抵消。这意味着每一次新的测量需要三个望远镜的数据,而不仅仅是两个,这样一来可以通过精度的提高来弥补信息的损失。黑洞摄影

尽管它们都十分巨大,在EHT的照片上却很小。据一位在EHT工作的天文学家说,人马座A*黑洞的大小大约是50个微角秒的宽度。一个微角秒大概是从月球上看地球上一篇文章末尾的句号的大小。

无线电波仅仅只是一种长波长的光,而它需要与我们通常认为的光不同的装置捕取。也就是说,这种望远镜基本上是——天线。

我最近读到了一篇报道。据报道,视界望远镜拍到了一张黑洞的图像并且将于4月10日公之于众。我很好奇这张图像是如何被拍到而这张关于黑洞的图像意味着什么?我唯一能想到的解释是它拍摄位于黑洞周围的星行物,然后星行物的“突然消失”指出了黑洞的出现。能否有人解释黑洞的图像是如何被拍摄的和事件视界望远镜的工作原理这两个问题。

最终,EHT对两个黑洞总共观测了约5个夜晚,产生了4PB的数据。采集的数据量如此之大,这也是为什么时隔两年后大众才有机会一睹黑洞的全貌的原因。

这种望远镜的其中一种是极长基线阵列。

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在照片问世的过程中,不同的望远镜要对各自采集的数据进行时间和相位的重新矫正,以实现多个数据的同步。这本身就是一项繁琐的工作,而数据的后期处理更加耗费精力。如此巨量的数据,网络带宽不够传输,研究人员转而将数据拷贝到硬盘上,通过快递硬盘实体来交换数据,这竟然成为了比网络传输更快的方式。

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该项目正在使用电波望远镜网络来测量黑洞周围吸积盘中电离物释放出的无线电波,并且通过相对论性喷流中的电离物可以看出它正从旋转轴中被喷射出来。我们既已有射电望远镜,如何拍摄到那么远的黑洞?

望远镜可获得的分辨率会受到光圈直径和观测到的波长的限制。无线电波的波长太长,因此无法获得良好的分辨率,但是您可以通过孔径合成技术来弥补这点不足。

为了解决如此遥远的问题,需要将来自地球上许多望远镜的信号结合起来,以获得尽可能大的有效基线。这个黑洞大约有400万个太阳质量,所以它的视界半径是10101010米。距离我们大约8000秒差距(1秒差距等于3.2光年),高度多于1020米。所以它在天空中的角度只有10

当你制作一幅图像时,基本上你所做的正是对视界的博里叶变换*进行采样(可想象的是这就像是当你通过一个洞向一个屏幕发送光线时获得的衍生图像)。

  • 1010^ - 10弧度。

对于普通光线,你可使用一堆紧凑的像素就轻松完成此项操作,但这并不适用于无线电波。相反,你需要创建一组天线阵列,每一组天线将采样天空的不同部分。他们是通过使用到达每组天线的波之间的干扰来测量相位来实现这一点的…因此,对于此项技术,有个术语叫“干扰测量”。

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对于单个基线,它检测到的无线电波在天空中的合成投影看起来就像一个简单的正弧曲线。但是如果你采用许多组不同长度的基线,它们便会相互加成而产生实际图像的衍生图像。

即使是超大质量的黑洞也不是特别大。而这个位于我们银河系中心的黑洞的半径比我们地球轨道半径小约13倍。相当于去处理一个距离我们约26000光年的小型太阳系。相当不容易!

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你最终获得的图像就如你拥有一个最长基线的巨型望远镜。

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通过地球的旋转使得望远镜相对遥远的恒星在移动,便可进一步改善采样:

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地球旋转时EHT采用了射电望远镜的轨迹,以及它们采用的傅里叶变换。

事件视界望远镜所采用的特殊技术被称之为“超长基线干涉测量法”,因为它涉及到全球范围内望远镜的配对。这种技术使其可获得比光学望远镜更高的分辨率…使用的是厚实的无线电波。实在太棒了!!2. 我们为什么要使用无线电?

我们对人马座A*的观察完全被螺旋臂和中心之间厚厚的尘埃带所阻挡。只有非常长的波长(红外线和更长波长的)和非常短的波长(X射线和更短波长的)可以穿透这些尘埃,X射线和伽马射线更倾向于穿透一切物质因为很难聚焦,而红外线望远镜的分辨率却与全球干涉仪的分辨率无法匹配。

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人马座的软X射线图像和最近爆炸的两个光回波3. 我们如何构建图像?

基本上,一旦你对傅里叶变换进行采样,你需要逆变换以获得天空强度的分布。这需通过软件来完成,也就是所谓的反褶积。基本上,在你对任何东西求逆转之前,你需要去除所有已经混合到你想要的信号中的外部信号源。

与简单的光学成像相比,实际的过程极其耗时,因为需要大量的校准才可以在所有物体上获得合适的相位(根据经验,有时需要数月才能获得实际图像…)

所以基本上,当EHT的工作人员完成他们的数据时,先别太高兴。他们还需要一段时间才能真正有所收获!

*A傅里叶变换是一种将继续时间信号转换成一组频率的数学方法。在这种情况下,我们正试图将无线电信号之间的延迟转变成为天空中的一组角频率。

可以能是作者的原因,有一项重要的信息没提及,在此我来补充

阅读拓展:EHT想要得到最清晰的黑洞照片,那必须让所有的单个望远镜同步工作,而EHT的望远镜遍布世界各地,且有一个在南极,他们是如何做到同步工作的呢?用原子钟对各个望远镜进行较准就可以了。原子钟的精确度非常高,每过几亿年才误差一秒。所以,就如果高的时间精确度下就可以使各个望远镜做到同步工作了。

图片来源:

  1. NRAO图片库

2.图3.42来自NRAO的射电天文学基础课程

3.图.2 来自Ricarte, A. 和Dexter, J. 2015, MNRAS, 446, 1973.

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