事件视界望远镜阵列即将发布第一个黑洞图像,我们能从中获得什么?

事件视界望远镜阵列即将发布第一个黑洞图像,我们能从中获得什么?

我们即将看到黑洞的第一个特写图像,以前我们看到的所谓黑洞图像都是通过计算机模拟或者手工绘制出来的。

事件视界望远镜EHT)是一个以观测星系中央超大质量黑洞为主要目标的项目,它并不是指某一台具体的望远镜,而是一个射电天文台阵列。

该计划以甚长基线干涉技术结合世界各地的射电望远镜,使多个相隔数万公里的独立射电天线互相协调、同时观测同一目标并记录下数据,形成一个接收口径等效于地球直径的射电信号接收阵列,并将望远镜的角分辨率提升至足以观测黑洞表面事件视界尺度结构的程度。

EHT阵列成员包括:赫兹望远镜(ARO/SMT)、阿塔卡马探路者实验(APEX)、阿塔卡马次毫米波实验望远镜(ASTE)、毫米波天文学研究用组合阵列(CARMA)、加州理工学院次毫米天文台(CSO)、IRAM 30米望远镜(IRAM)、麦克斯威尔望远镜(JCMT)、大型毫米波望远镜(LMT)、次毫米波阵列望远镜(SMA)、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)、北方扩展毫米阵列(NOEMA)、南极望远镜(SPT),中国科学院上海天文台是该项目的合作单位。

EHT期望借此检验广义相对论在黑洞附近的强重力场下是否会产生偏差、研究黑洞的吸积盘及喷流、探讨事件视界存在与否,并发展基础黑洞物理学。

EHT的观测目标主要为银河系中央的超大质量黑洞即人马座A*(读音:A-star),以及位于椭圆星系M87中央的超大质量黑洞。

人马座A*距离我们约25900光年,是最近的超大质量黑洞;M87距离我们约5700万光年,其中央黑洞以一道长达5000光年的喷流而著名。

为了看透布满尘埃的银河盘面及围绕在黑洞周围的物质,EHT的观测波长设定为1.33毫米,未来还将提升至0.87毫米。

由于联合观测产生的数据量庞大到无法使用互联网传输,阵列中各个射电天文台会将观测数据存储在硬盘中邮寄至美国马萨诸塞州的海斯塔克天文台,交由超算解析,并合成单一影像。

根据电脑模拟,环绕黑洞的物质发出的光将被黑洞自身质量产生的重力透镜效应弯曲,在黑洞周围形成一光环,而光环中央衬托出的圆形剪影便是黑洞的轮廓,也就是事件视界。

这个项目经过近几年的观测,已经开始对结果数据进行渲染,准备在本月发布第一批图像。科学家希望通过这些图像解答以下问题:

一、黑洞到底长什么样?即事件视界是否可以被直观观测到。

有些黑洞可能名不符实,虽然理论上黑洞应该是“黑”的,因为它就像一个宇宙中的漏斗,包括光线以及任何观察者的视线都会被强大引力吸收。但是当一个黑洞吞噬大量气体与尘埃时,这些物质沿吸积盘螺旋跌入黑洞,在这个螺旋加速器中,构成物质的粒子以极高的速度相互碰撞,这个过程中物质被加热到极高的温度,并辐射出x射线及其他高能射线。另外,由于黑洞的巨大质量,产生的引力透镜效应,会使得来自黑洞背景的光线沿事件视界周围扭曲折射,预期将在图像中观察到在这些辐射及光线映衬下的黑洞阴影。

二、检验广义相对论,即黑洞周边是否因广义相对论而形成一个环形的阴影?

天文学家已经以广义相对论建立模型,通过计算机模拟围绕黑洞事件视界外的物质分布及形态。这次获得的图像将被用来验证这些模型及模拟效果是否正确。广义相对论发表至今已经预测过许多牛顿力学范畴外的现象,但是科学家仍期待在强引力场下对其计算结果进行验证。

三、能否发现超大质量黑洞周围的脉冲星极其引力红移现象?

很多研究人马座A*超大质量黑洞的科学家都希望能找到一个围绕着黑洞旋转的脉冲星。当光线在黑洞附近脱离极端引力时,波长会伸展使光显得更红,这个现象被称为引力红移。引力红移会改变脉冲星的扫描节拍,能使我们对广义相对论效应进行更精确的检测。以往对SgrA *的观测并没有在它附近发现脉冲星,原因可能是银河系中心的气体和尘埃会使它们很难被发现,科学家希望这次能够通过EHT的强大能力寻找到一些这种天体。

四、黑洞如何产生喷流?

有些黑洞就像贪吃的饕餮,会吸入大量的气体和灰尘,而有些黑洞则显得非常挑食,具体原因还不清楚。超大质量黑洞会产生高度准直的超相对论性喷流,物质以接近平行的束状气流型态强力射出,并以接近光速跨越数个星系的距离。其成因据推测与黑洞的强大磁场有关,然而要分析出确切成因极其构成物质仍需更多观测数据出炉。

银河系中心的SgrA *似乎就是一个挑食的黑洞,尽管它有400万太阳质量的重量,但它的吸积盘却出人意料地暗淡。而EHT的另一个观察目标,M87星系中心的超大质量黑洞,则非常贪婪,它的质量在35亿至72.2亿太阳质量之间,它不仅积聚了一个明亮的吸积盘,还发射出明亮的高速带电亚原子粒子,并延伸出约5000光年。甚至观测到有些黑洞产生的喷流比整个星系更长更宽,可以延伸出数十亿光年,将这些物质喷流发射到这么远的距离需要多么强大的力量啊!


观察者:@酆都御史 | 公众号:大好山水中人 | 头条号:心系宇宙天地宽

发布于 2019-04-04

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