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银河系中心黑洞照片的背后:中国正规划建设亚毫米波VLBI望远镜,以参与24小时接力观测

 1 month ago
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麻省理工科技评论-银河系中心黑洞照片的背后:中国正规划建设亚毫米波VLBI望远镜,以参与24小时接力观测

银河系中心黑洞照片的背后:中国正规划建设亚毫米波VLBI望远镜,以参与24小时接力观测
“上次探测的是 M87 星系中心的超大质量黑洞,本次观测的是我们银河系中心的超大质量黑洞。这两个目标也是离人类比较近的两个超大质量黑洞。”中科院国家天文台研究员陈学雷表示。图 | 银河系中心黑洞的首张
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“上次探测的是 M87 星系中心的超大质量黑洞,本次观测的是我们银河系中心的超大质量黑洞。这两个目标也是离人类比较近的两个超大质量黑洞。”中科院国家天文台研究员陈学雷表示。

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图 | 银河系中心黑洞的首张照片(来源:EHT)

北京时间 5 月 12 日,中科院上海天文台举办“来自事件视界望远镜的关于银河系中心的突破性成果”发布会,发布了来自于事件视界望远镜(Event HorizonTelescope,EHT)的关于银河系中心的一项突破性成果。

加上国内这场发布会,全球多地同步举办发布会。发布会上,相关专家展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。据悉,事件视界望远镜合作组织,依靠坐落在全球多地的射电望远镜组网“拍摄”了这张照片。

它不仅仅是银河系中心的超大质量黑洞 Sgr A*的首张照片,也是这一黑洞确实存在的第一个直接视觉证据。更确切地说,这张照片是被捕获的,捕获工具便是坐落在地球上的

虚拟望远镜 EHT,该望远镜由八个射电望远镜组成,并形成了一个堪比地球大小的虚拟望远镜,它们分别是来自南极、智利、墨西哥、美国亚利桑那州、美国夏威夷(中国参与运行)、西班牙的望远镜。观测期间,EHT 在多个晚上,对人马座 A*展开观测,每次采集都要持续好几个小时,这和同一个相机的长时间曝光的原理类似。

图|事件视界望远镜 EHT 由八个射电望远镜组成,它们共同形成了一个堪比地球大小的虚拟望远镜(来源:EHT)

据悉,我们生活的地球距离银河系中心黑洞,有二万七千光年之远。对于探测到该黑洞的难度,上海天文台的专家作比喻称,这好比在地球上用望远镜去查看月球上一张报纸上的一个标点那么难。

而此次公布的照片,实际拍摄于 2017。在本次观测中,EHT 不仅拍摄了今天所公布的银河系中心的黑洞图像,也对 2019 年公开的 M87 黑洞做了拍摄。由于 M87 距离人类更远,因此研究人员先对它做数据处理。2019 年,在 M87 公布以后至今,科学家又耗时 3 年,对银心黑洞 Sgr A*进行数据处理。

谈及相关技术,陈学雷表示,“由于天线数量不足,还原干涉数据的结果不唯一,再加上银河系中心黑洞的图像有随时间的快速变化,不能像 M87 那样把不同时刻的观测很简单地合在一起用,这次他们使用了一种把不同成像结果平均的方法。显然,这也是解决这些成像困难的一种新方法。”

作为银河系中心的大质量天体的“真相照”,天文学家们对其期待已久。在此之前,在大量恒星围绕着的银河系中心,天文学家就曾发现那里存在一种天体作轨道运动,该运动具备非可视性、致密性、质量极大等特点。这一发现带来的暗示是:名为人马座 A*(Sagittarius A*:Sgr A*)的天体,应该是一个黑洞。此前曾发现“银河系中心黑洞的”科学家,也凭借相关工作获得了诺贝尔物理奖。

据悉,在本次发现中,科学家研究了极大的成像参数空间,最终终于得以确定此次黑洞的照片。对于确定照片的难度,陈学雷表示:“他们使用的是干涉成像方法,这种方法的特点是,并不直接成像,而是天线之间做干涉。我们可以把一个图像分解成很多不同方向和尺度的组分,每一对天线之间干涉结果,可以给出一个方向和尺度的组分,但是由于天线数量很少,所以实际上只测量了少数组分,大部分组分没有,所以无法唯一的还原图像,只能‘猜测’,因此会有很多参数。”

(来源:中科院上海天文台)

拍摄目的:破解致密射电源的“庐山真面目”

为什么要进行这样一次拍摄和观测呢?上海天文台的研究人员表示,我们目前关于银河系的印象,大多是一条光带。由于人类居住在银河系内部,因此看到的银河系如同一条光带。但是,如果从银河系外部来观测,所看到的银河系很不一样。

从基于贝赛尔计划绘制的银河系结构图可以看到,中间是银河系中心的位置,而红色的标注的是太阳的位置,如果人类有幸可以开展星际旅行,当从地球直奔银河系时,就会看到丰富的景象,尤其是靠近银河系中心时,会发现其中有一个十分致密而明亮的射电源,而这个射电源就是发布会的主角。

(来源:中科院上海天文台)

从之前人类对于银河系的观察,我们已经知道银河系中心是一个充满了物理环境的区域。而且许多天文照片中,都可以看到这个致密的射电源。但是,我们始终看不到致密射电源的细节。

要想破解致密射电源的庐山真面目,就需要更高分辨率的观测。而针对该致密射电源也就是 Sgr A*的观测,从 50 年前人类就开始了各种努力。在 20 世纪 60 年代,科学家发现了类星体,也就是在极遥远距离之外观测到的高亮度天体。1971 年,英国天文学家唐纳德·林登贝尔(Donald Lynden-Bell)提出,一般在星系中都藏有一个黑洞,银河系也不例外。因此,他提议用高分辨率甚长基线干涉(VLBI,very long baseline interferometry),去在银河系中心寻找和黑洞相近的致密射电源。

果不其然,1974 年,美国天文学家 H·W·巴布科克(Horace Welcome Babcock)和合作者就同干涉仪在银河系中心探索到了这样的致密射电源,并将其起名为 Sgr A*。而在 1976 年,美国天文学家雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis Jr)等人提出,在地球观测到的银河心中心发来的信号,可能受到了星际散射的影响。

为了克服星际散射的影响并提高分辨率、揭开致密射电源的真面目,此后各地科学家使用更短波长进行观测。尤其是 1998 年,德国物理学家托马斯•克里鲍姆(Thomas Krichbaum)等人在λ为 1.3 毫米时探测到了 Sgr A*。

而之前的这些工作,尽管尚未让人们观测到其真面目,但也让人们对 Sgr A*有了基本了解,并奠定了这次 EHT 发现的基础。

拍摄到这次银河系黑洞的主角,是事件视界望远镜(EHT),这是由国际上的一群至少可以达到 230GHz 频率的亚毫米波射点望远镜组成的 VLBI 阵列。

在拍摄结束之后,科学家们为 Sgr A*黑洞进行数据处理花费了 3 年的时间。为什么需要如此长的时间,中科院上海天文台副研究员,EHT 成像工作参与负责人江悟解释说,我们和银河系中心之间有大量的气体和尘埃,这些对来自银心的电子波的辐射会产生散射效应。简单来说,散射会导致拍摄图像的模糊和放大的效果。而且波长越长,散射效果越明显。这也是为什么要采用更短毫米波来进行黑洞成像的原因之一。

此外,对于银心来说,成像的最大的挑战就是快速运动物体的快速识辨。这 2017 年的拍摄过程中,在短短 10 个小时以内,银河系中心的亮度有了快速明显而又大幅的变化过程。

因为黑洞不发光,所以我们看不见黑洞自身,但绕转的发光气体给出了其存在的信号:一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域(称之为阴影)。照片上显现出的(射电)光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致,这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。

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图|Sgr A*的环状结构角直径以及黑洞质量(来源:中科院上海天文台)

正规划中国亚毫米波 VLBI 望远镜的建设

2019 年和 2022 年,先后公布的这两个大小不同的黑洞照片让科学家非常兴奋,这让他们能有更好的条件去做对照研究。目前,科学家正在使用新数据,去对超大质量黑洞周围气体行为的理论和模型进行检验。尽管人们对于这一行为的过程尚不清楚,但普遍认为它对星系的形成和演化有着关键作用。

概括来说,Sgr A*是距离我们最近的超大质量黑洞,可给科学家提供一个独特的“实验室”,在这个实验室里,科学家们可以去检验广义相对论,也可以去探索黑洞天体物理。

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(来源:中科院上海天文台)

在本次第一张银河系中心黑洞照片发布之后,科学家们将通过偏振观测数据,去对黑洞周围的磁场进行研究,X-射线耀斑活动的结构变化也将是他们的研究对象。

事实上,在 2017 年之后,新的望远镜逐渐加入,数据记录带宽也在逐步增加,这让 EHT 阵列的灵敏度得以提升,这让人们对 Sgr A*这一变源的成像能力也得到逐步增强。将来,会有更多亚毫米波望远镜加入成像观测,届时或可实现对于 Sgr A*的全天候接力成像观测。到那时,对于黑洞周围物理环境的动态摄像就将“照进现实”。参与这一研究的上海天文台专家认为,假如在中国建设亚毫米波 VLBI 望远镜,并对相关观测进行参与,那么其将扮演重要角色。

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(来源:中科院上海天文台)

一直以来,EHT 都走在观测的路上。2021 年 3 月,它刚和其他望远镜,完成了一次联合观测。而未来,它的目标不再是拍照片,而是拍电影。给银河系中心黑洞拍一部“电影”,也是下一代事件视界望远镜的追求。

对于这里的“电影”,陈学雷表示:“就是得到不同时刻的动态图像,当然这样的图像给我们的信息多得多,就像小视频比静态照片多得多一样。”

目前,国内相关专家正规划中国亚毫米波 VLBI 望远镜的建设,如果建设成果,届时将参与 Sgr A*的 24h 不间断接力观测。

对此,陈学雷表示:“这里有两个重要的条件,一个是需要有良好的台址,一个是需要发展相关的技术。台址方面,亚毫米波容易受到大气特别是其中水蒸汽的影响,因此需要找到高原、干燥的地方,可以在我国的青藏高原开展选址。技术方面,我国有一定的技术基础,当然也还要进一步开展研究。总之,我觉得是很有希望的。”

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支持:张智

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