谭松韵,江悟、路如森、顶峰 | 首张黑洞相片参与者亲述:咱们怎样给黑洞摄影,新榜

北京时刻4月10日21时(15:00 CEST),全球多国科研人员协作的“事情视界望远镜”(Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration)组织在全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、我国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同步举行新闻发布会,发布了人类前史上首张黑洞相片。这张相片来自距我们有5500万光年之遥的近邻巨椭圆星系M87的中心。

黑洞,能够拍照!?

一百多年前的爱因斯坦广义相对论预言,国际中或许存在黑洞,其体积无限小而密度无限大,强壮的引力场引起时空歪曲,构成光也无法逃逸的“事情视界”面(有关“事情视界”,详见系列文章和相关论文)。地理学家信任黑洞的确存在,并以为简直一切的星系中心都存在黑洞,在那里其“体重”能够成长到几百万或数十亿倍太阳质量。

钟庆厚

虽然有理论和越来越多地理观测的佐证,但我们还从未直接见过黑洞。“事情视界”望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)是第一个专为获取黑洞印象的试验方案。它选取了我们银河系中心和室女系M87中心这两个“事情视界”半径最大的黑洞作为首要方针来验证爱因斯坦的广义相对论。EHT拍照的不是黑洞自身的图画,而是这两个黑洞在光子捕获半径处(光子捕获半径稍大于“事情视界”半径)所出现的光圈和内部“事情视界”及引力透镜下发作的暗影,以及快速旋转和相对论波束效应构成的看起来像月牙形状的图画。现在,拍照黑洞图画的最佳波长是在EHT作业的1毫米波段,这个观测波段能够拍照到接近黑洞周围的区域而不受同步凝链基地自吸收发作的遮挡。作业在1毫米波段,口径如地球直径巨细的望远镜才能够用来拍照黑洞的图画。而坐落上海的65米天马射电望远镜则作业在长毫米波以上波段,在EHT观测期间也联合其他望远镜首要对黑洞外围大标准结构如喷流等进行监督。

欲善其事,先利其器

地理望远镜的两个重要参数是灵敏度和分辨率,浅显一点讲便是“看得见”和“看得清”的身手,这两者都与望远镜的标准或许说口径正相关。进步两者水平的惯例做法便是往大里做,比方我国的FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) 500米射电望远镜和正在参加筹建的TMT(Thirty Meter Telescope)30米光学望远镜。但遭到建造本钱和制作工艺等方面的约束,单台望远镜的最大标准存在上限,往往观测频率越高,最大标准就越小。

此外也有别出心裁的办法,比方EHT选用的干与丈量技能。它能够将散布在不同当地相距很远的望远镜联合起来,组成一个口径相当于望远镜之间间隔(地理专业术语叫做“基线”)而不单是单台望远镜口径的超大望远镜。其根本原理能够追溯到迈克尔逊干与仪。简略地讲,频率相同、振荡方向相同且相位差安稳(即满意干与条件)的两束光(电磁波)交汇在一同就能够发作干与。两束光经过不同的旅程和介质(光程差)就会发作不同的干与图样,然后能够依据干与图样反演光源的特性。盘尼西林

地理学上典型的使用包含射电波段的干与仪,它又细分为归纳孔径和甚长基线干与仪;而光学波段有闻名的探测到引力波的激光干与仪。射电波段和光学波段的干与仪曾别离现身于1974年和2017年的诺贝尔物理学奖。本文叙述的黑洞“事情视界”望远镜是射电波段干与仪中的一种甚长基线干与仪(Very Long center Interferometer, VLBI),也是现在国际上射电毫米波段观测频率最高、分辨身手最好的干与仪。众所周知,观测频率越高,对望远镜的要求和建造难度就越高。由于角分辨率(即空间分辨率)能够用波长除以基线长度表明,频率越高波长越短,角分辨率也越高,此刻远处很小的物体也能辨黄鹤楼xgrq别出来。EHT的分辨身手强到什么程度?能够打个比方,月球上放一个乒乓球都能够看得很清楚。所以,即便间隔我们很远的银河系中心的黑洞(8 kpc,合2.6万光年;光年是长度单位,指光走一年的间隔)和室女系M87中心黑洞(16.8 Mpc,合5480万光年),也能看清楚它们黑洞周围“事情视界”标准的形状,这也是“事情视界”望远镜姓名的由来。

谈到地理谭松韵,江悟、路如森、高峰 | 首张黑洞相片参加者亲述:我们怎样给黑洞拍照,新榜观测就不得不提及大气窗口。我们知道,地球的大气是我罗曼蒂克消亡史们人类赖以生存郭碧婷微博的根底,比方大气确保了地球上氧气和水循环的存在,并阻挠了外界物质(大部分紫外线、太阳风和陨石等)的侵扰,但一同也阻挠了部分有用的电磁波抵达地表,如图1所示。

图1 地球“大气窗口”

上图横轴为波长,纵轴为大气不透明度。下图从左到右注释文字依次是:1 伽马射线、X射电和紫外波段被外层大气阻挠(最适宜在空间观测);2 可见光波段能在地上观测,部分有大气失真;3 绝大部分红外光谱被大气气体吸收(最适宜在空间观测);4 无线电波段可在地上观测;5 长波无线电被大气阻挠。

所以,地上的地理观测大多只能在终究透射经过大气层能够抵达地表的波段进行,比方大部分无线电波段和可见光波段,别离对应射电望远镜和光学望远镜观测地点波段。(亚)毫米波段和部分光学波段透射率也很低,需求挑选在适宜的台址(一般是高海拔、枯燥、气候条件安稳)或许大气层外观测,而红外和高能观测由于简直彻底不能透射到地表则最好是在地球大气层外观测。

EHT(https://eventhorizontelescope.org/)是一个调集了全国际具有(亚)毫米波观测才能的VL十八摸BI台站组成的口径如地球直径巨细的超大干与阵(图2)。现在现已有掩盖地球南北南北极、南北美洲和欧洲等地的望远镜参加进来。首要作业频率在230GHz邻近(4G手机通讯中心频率约2.3GHz),对应波长1.3毫米。这个项目从2006年开端展开测验试验到现在开展成包括台站观测、数据处理、理论剖析、仿真模仿、成果宣布以及对外发布等分工协作、组织紧密的超越200人参加的国际性大科学工程。自从坐落智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA)作为一个VLBI台站参加到EHT观测中今后,EHT的灵敏度得到很大的提高,使得对银河系中心黑洞和M87星系中心黑洞成像成为或许。

图2 EHT台站全球散布图。ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) 阿塔卡马大型毫米波阵(~3712m),坐落智利;APEX(Atacama Pathfinder Experiment)阿塔卡马探路者试验望远镜(12m),坐落智利;CARMA(Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy )毫米波地理学研讨用组合阵列 (810.4,6.1m) ,坐落美国加州;CSO(Caltech Submillimeter Observatory)加州理工学院次毫米咽喉炎吃什么药地理台 (10m),坐落夏威夷; GLT(Greenland Telescope)格陵兰望远镜 (12m),坐落格陵兰西北部; IRAM(Institut de Radioastronomie Millimtrique)毫米波射电地理所的30米毫米波望远镜 (30m),坐落西班牙;JCMT(James Clerk Maxwell Telescope)麦克斯韦望远镜 (15m),坐落夏威夷;KP (Kitt Peak National Observatory) 基特峰国家地理台 (12m),坐落美国亚利桑那州;LMT(Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano)大型毫米波望远镜 (32.5m),坐落墨西哥;NOEMA ( Northern Extended Millimeter Array) 北方扩展毫米阵列 (1215m),坐落法国;SMA(Submi河北移动llimeter Array)亚毫米波望远镜 (76m),坐落夏威夷;SMT(Sub-Millimeter Telescope) (10m),坐落美国亚利桑那州;SPT(South Pole Telescope)南极望远镜 (6m),坐落南极。

2017年开端,EHT决议和谐组织整个阵列的联合观测,考虑到对气候条件极端严苛的要求和南北半球的气候差异,观测时刻选定在每年的4月份前后,视气候条件遴选出5天施行观测。到时全球各协作单位、望远镜所属组织积极响应,为每年这5天观测提早精心策划,确保观测满有把握。上海地理台作为国内VLBI方向的牵头单位,也是东亚区域东亚地理台所属望远镜詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT)谭松韵,江悟、路如森、高峰 | 首张黑洞相片参加者亲述:我们怎样给黑洞拍照,新榜VLBI运营支撑方之一,每年JCMT在EHT观测期间,我们都会前去台站现场和其他国际同行一同履行观测,因而有幸在台站观测这个重要环节参加其间,感遭到EHT先进的前沿技能、科学的谨慎、作业做到极致的情绪和国际分工协作之间的默契。

相机中的相机

JCMT是最早参加EHT测验试验的首要台站,它坐落美国夏威夷州大岛(Big Island)上莫纳克亚(Mauna Kea)山顶,海拔4092米处。莫纳克亚山是一座死火山,坐落它西南面还有一座类似高度的活火山莫纳罗亚山,它挡住了来自太平洋的绝大部分热流,所以莫纳克亚山顶终年枯燥少雨,是国际最新韩国上罕见的抱负地理观测台址。除JCMT外,还有许多地理望远镜布局在这个山顶(图3),说它是尖端地理观测基地也不为过,将来TMT也会在这儿落脚。

图3前排中心方位的便是JCMT,口径15米,最早于1987年开端观测作业,是前期最大的作业在亚毫米波段(现在最短观测波长450微米)的单口径望远镜,2015年3月份开端归属东亚地理台。

图3 Mauna Kea山顶地理望运镜,前排居中即为JCMT

JCMT望远镜的主反射镜面是由276块轻盈的铝塑混合板组成15米口径的抛物面,主反射面下有可调理的支撑结构,保私照证主面不受重力变形的影响,面板精度能够抵达羊绒衫怎样洗24微米。副反射面也是三维可动,用来调焦和习惯主面。望远镜全体被装置在一个圆柱形塔台上,塔台能够像旋转木马相同做圆周旋转,这样确保望远镜能观测整个方位360度的方针源。而在俯仰方向,装置了用特别资料制成只需细小衰减的弧形透射膜,能够让JCMT能接纳到俯仰范围内的信号而不受外届风力和降雨等的影响。

给黑洞拍照之旅

EHT观测的开端时刻组织一般在我国阴历年前,会提早3个月左右发布,我们前去参加观测的人员此刻就开端和台站组织联络,了解和了解台站设备状况、规划行程、预备台站地点国的签证等。上海到夏威夷每周都有几趟直达航班,相对比较便利,从夏威夷再到大岛也只需1小时的飞机。东亚地理台办公楼在大岛的希洛市,紧邻夏威夷大学,和各种地理望远镜的总部在一同。在东亚地理台,我们和日韩台湾区域的同即将承受一些面临高原环境的训练,简略来说便是多看少动,多喝水。当然此外还有许多需求留意的细节,这儿储藏了许多确保设备,也积累了许多经历,根本能够定心随行。有了根本的预备后,我们就朝山顶驱车前进了。

图4 JCMT塔台和内部望远镜

沿路景色逐步由旺盛的雨林变成矮小的灌木丛,然后成了黑色火山灰掩盖下的土丘,呼吸也因海拔的上升逐步变得沉重起来。驱车大约四五十分钟后,我们来到了坐落海拔2800米处的半山腰基地节哀(Hale Pohaku,简称HP)。依照规则,初度去山顶观测的人员需求在这个基地至少待上一晚以习惯高原环境,一同也约束在山顶一天内的停留时刻不能超越12小时,所以每次去山顶观测一段时刻后都必须回来HP调整。在HP,EHT同行分红两个小组,别离担任前半夜和后半夜的观测。在这儿,我们一方面重视山顶的气候,一方面等候EHT终究观测的告诉。由于全球一切参加台站都需求具有很好的设备状况并满意严苛的气候条件,往往当天晚上的观测在下午3点左右才终究承认。HP为来访者供给了很好的活动空间和物质确保,对地理学家来说,这也是一次可贵的与同行当面沟通的时机,所以我们都喜爱围坐在一同沟通和评论。

在时间短的等候后,总算迎来了EHT的观测,大约再驱车3包子哥赵强0分钟,我们抵达山顶,路周围根本没有植被,只看到火山海鲜粥灰堆积成的沙丘和来不及消融的积雪。抵达望远镜后,就开端布置观测使命。我们一般提早查看设备状况,承认各个环节都正常,JCMT周围还有一个亚毫米波阵列SMA(Submillimete谭松韵,江悟、路如森、高峰 | 首张黑洞相片参加者亲述:我们怎样给黑洞拍照,新榜r Array),每次正式观测前都和它做一次测验观测,来承认两者的状况是否都正常。

图5 坐落半山腰的HP基地

一般,我们很快就能承认得到表明设备正常的干与条纹,然后就能够着手预备正式履行观测使命。JCMT在被东亚地理台接纳之前首要进行单天线观测,并不具有VLBI观测才能,所以JCMT当地有经历的观测同行会帮我们操控天线,比方操作天线对准方针源,每隔一段时刻进行指向承认和对焦等。EHT同行则首要重视VLBI信号接纳链路的状况,比方监督用来混频的本振信号源,监督用来高速收集和记载原始数据的设备状况。前面说到干与要求两路电磁波频率相同、相位差安稳,在EHT观测过程中,我们要求230GHz邻近的刘本岩信号坚持不会发作1Hz频率误差。并且在高海拔区域观测,由于空气稀薄、气压低,记载设备都经过了特别制备,比方充氦来坚持磁盘内气压以确保磁头高速作业平稳记载,一同我们也通九色元婴过监督记载数据是否满意高斯散布来判别数据是否正常。我们还需求坚持对望远镜体系噪声温度的接连丈量和记载,这将是后边黑洞成像重要的起伏校准输入。对这些作业,我们都做得一丝不苟,在彼此关怀和鼓舞下,即便几天坚持下来也毫无倦意。观测就这样严峻而有序地履行着,碰到问题也都能及时处理。EHT项目集结了国际上毫米波VLBI范畴顶尖的科学家和技能人员,这肯定所言非虚。

图6 EHT观测的同行在JCMT操控室

跋文

现在,经过近两年的数据处理和剖析,第一次全球协作的EHT观测数据现已得到成果,M87星系中心黑洞的图画也已问世,为验证广义相对论供给了最直接的视觉依据。此刻,笔者有幸再次来到JCMT,听闻它将新装置一个345GHz的接纳机用来进行下一轮EHT观测,这意味着未来将得到更清楚的VLBI图画,也是对现在成果的多重验证。假如说黑洞的图画是EHT体系开出来的花朵,那就让这朵花开得更艳丽些吧。

快问快答

本文作者还就相关问题采访了嘉宾清华大学物理系、清华天体物理中心楼庆宇教授

问:所谓“拍照黑洞”实质是什么意思?我们是经过什么“看”到黑洞的?

楼庆宇:球对称的停止黑洞有一个“事情视界”(event horizon),也称Schwarzschild半径。在其内的物质和光子都无法逃逸出来,所以称为“黑洞”。长期以来,我们一向经过黑洞与周边的物质和辐射场的效果(例如常常说到的吸积盘)来估测黑洞的存在及估量其物理参数。轴对称的旋转黑洞(Kerr解)有其相应的“事情视界”,根本物理了解同上。旋转黑洞邻近时空会被严峻曲折拖曳,快速旋转的吸积盘物质的电磁辐射在此曲折时空中传达成像。人们能够经过此类模型的参数调整拟合与观测到的吸积盘物质的电磁辐射像来获取黑洞“事情视界”的概括像。我们是在这个意义上“拍谭松韵,江悟、路如森、高峰 | 首张黑洞相片参加者亲述:我们怎样给黑洞拍照,新榜摄黑洞”或称“看”到黑洞的。

问:为什么EHT(Event Horizon Telescope) 会挑选银河系中心和室女系M87中心这两个“事情视界”半径最大的黑洞作为首要方针?其间M87距我们有5000多万光年之遥,其成像难度是不是比距我们2.6万光年的处于银河系中心的黑洞大许多?

楼庆宇:EHT在毫米波段运用的甚长基线干与阵列技能(Very Long center Interferometry--VLBI)有十分高的角分辨率,又由于有十多个毫米波望远镜和阵列的一起参加,EHT的灵敏度空前地高。EHT的角分辨率能够用1毫米(观测波长)来除以1万公里(约地球直径)来大致估量,即百亿分之一。银河系中心的黑洞和室女系M87 (Messier 87, also known as Virgo A or NGC 4486)中心的黑洞都归于所谓的超大质量黑洞(Supermassive Black Hole -- SMBH),前者是400万太阳质量,后者是64亿太阳质量。Schwarzschild半径Rsch=2GM谭松韵,江悟、路如森、高峰 | 首张黑洞相片参加者亲述:我们怎样给黑洞拍照,新榜/c^2,这儿G是万有引力常数,M是黑洞质量,c是真空中的光速;故太阳质量对应的Schwarzsc谭松韵,江悟、路如森、高峰 | 首张黑洞相片参加者亲述:我们怎样给黑洞拍照,新榜hild半径约是3公里。请留意,Schwarzschild半径与黑洞质量M成线性份额。EHT挑选较近的超大质量黑洞作为首要方针是天然合理的。再留意,5000多万光年与2.6万光年的比值约2000。64亿太阳质量的超大质量黑洞与4百万太阳质量的超大质量黑洞的比值约1600。故两个黑洞看起来巨细差不多。这便是为什么EHT一同挑选这两个方针进行观测。

问:天体物理一般怎样处理观测数据和模型之间的联系?该怎么评价数据剖析的可信度?

楼庆宇:在这次EHT的观测中, 我们幻想有吸积盘,车的标志吸积盘有辐射,里边有黑洞,黑洞或许仍是旋转的,会极度拖拽歪曲时空,周边的吸积盘或许是以相对论速度在转,辐射出来的东西现在能看到的仅仅毫米波段的,终究能看到光子在歪曲的时空里怎样走。这个模型里有许多参数,比方黑洞质量、吸积盘离黑洞的间隔、吸积盘质量、吸积盘巨细、吸积盘往外延伸多远、吸积盘是否平坦,乃至吸比价网积盘里等效的粘滞系数等一系列的参数都不是很承认。但无论怎么,我们构建一个模型,有些参数相对更牢靠一些,有些差一点,然后依据参数成像。参数需求重复调整,终究据此制作一个模型的像,使之跟望远镜的像附近。那么会不会有其他参数也能成相同的像?准则上有或许,同一个像有或许对应着几种不同的参数,参数不相同图画就不相同,意味着数据剖析的成果并不专一。但能够依据其他一些要素进行剖析,终究估测是否只需某一种最为合理。假如成果不那么专一,理论家之间就会对模型有所争论,但仍旧会依据已知的信息判别哪一个更为合理一点,日后有条件再进行独立验证。有些研讨的成果听起来是十分合理的,比方Hans Bethe的热核反应,核算和理论估计符合得很好,可是都触及模型的构建问题。

采访未经自己审理

本文原载于微信大众号“返朴”,观察者网取得授权转载

图片均来源于大众号文章

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