◆首张图片并非终点:黑洞研究将迎来黄金时代

2019-04-13 19:13




首张图片并非终点:黑洞研究将迎来黄金时代
事件视界望远镜是一个等效于整个地球的射电望远镜阵列,正是利用这一巨大的虚拟望远镜,科学家才得以捕捉到M87星系中心超大质量黑洞的图像
新浪科技讯 北京时间4月13日消息,在历史性地首次拍摄到黑洞图像之后,事件视界望远镜(EHT)协作团队的研究人员并不打算就此止步。
4月10日,这个国际合作团队在全球多个地点同时宣布,他们已经拍摄到了M87星系中心超大质量黑洞的轮廓,这是人类历史上第一张直接对黑洞观测的天文影像。M87是一个巨大的椭圆星系,距离地球5500万光年。这些轮廓线勾勒出黑洞的事件视界,这是一个时空的区隔界限,任何东西,甚至光线,都无法从事件视界内部逃脱。
这一史诗般的成就进一步支持了爱因斯坦的广义相对论,该理论将引力描述为时空扭曲的结果。科学家表示,这些新公布的图像应该有助于科学家更好地理解黑洞如何运作,以及那些最大的黑洞——比如拥有65亿个太阳质量的M87超大质量黑洞——如何塑造它们的宿主星系的演化。
但是,这并不意味着该项目的工作已经完成,事实上这才刚刚开始。正如哈佛大学和哈佛-史密森天体物理中心的事件视界望远镜项目负责人谢泼德·多尔曼(Sheperd Doeleman)在4月10日的新闻发布会上所说的,我们应该可以使用算法使现有的图像变得更加锐利。
另一方面,我们很快就能看到另一个黑洞。M87星系黑洞的图像来自于2017年4月进行的为期一周的观测活动,在此期间,研究人员还研究了位于银河系中心的超大质量黑洞。这个黑洞被称为人马座A*(SagittariusA*),其质量是太阳的430万倍,距离地球约26000光年。我们有理由期待,事件视界望远镜对银河系中心超大质量黑洞“拍摄”的图像将带来更多的精细。
多尔曼表示,人马座A*在短时间内的变化比M87黑洞更大,因此更难成像。但研究小组乐观地认为,他们也能从数据中提取出人马座A*事件视界的图像。“我们不能做出任何保证,但我们希望很快就能实现,”多尔曼说道。
事件视界望远镜项目团队需要研究的不仅仅是2017年的数据,他们还在去年以更高的分辨率对两个超大质量黑洞进行了为期一周的观测。事件视界望远镜集成了世界各地的多个射电望远镜,形成了等效于地球大小的虚拟望远镜。要想“看到”这两个超大质量黑洞,你就必须用这么大的望远镜。这两个黑洞的密度大得令人难以置信,但体积在宇宙尺度上却相当之小。
在2017年的观测中,6个不同地区的8台射电望远镜组成了“事件视界超级望远镜”。在2018年的观测活动中,协作团队在格陵兰岛新增加了一台望远镜,“这大大增加了我们对M87星系北侧的覆盖,”多尔曼说道。他还补充说,协作团队不久还将整合亚利桑那州南部的基特峰上的另一台射电望远镜。
“这些都将提高成像的保真度,”多尔曼说,“他们会使我们试图建造的虚拟望远镜更加强大。”到目前为止,事件视界望远镜只在一个波长——1.3毫米的光——上观测黑洞,但该项目计划在不久的将来开始研究0.87毫米的观测波长,这应该会带来更加精细的结果。
“这听起来似乎只是很小的提升,但它可以使角坐标分辨率——即分辨能力——提高30%以上,”多尔曼说,“所以,你只需要以更高的频率进行观测就能锐化获得的图像。”
这些计划都将在不久的将来实现。从长远来看,协作团队希望虚拟望远镜能包括一台位于地球之外的射电望远镜。
“在地球上占据优势对我们来说是不够的,我们还想进入太空,”多尔曼说,“如果我们能将一台太空射电望远镜放在环绕地球的轨道上,它就能扩展出更大的虚拟望远镜,而且观测速度会快得多。”进入太空将使事件视界望远镜捕捉到一些更令人难以置信的图像。
“我们可以拍摄电影而不只是照片,”多尔曼在上个月于德克萨斯州奥斯汀举行的“西南偏南”(South by Southwest,简称SXSW)艺术节上说,“我们想把围绕黑洞旋转的物体实时拍成电影。这就是我们在未来十年想要做的。”
有趣的是,这种大规模望远镜扩展面临的最大障碍可能是数据传输。每个事件视界望远镜天线在观测运行过程中收集了如此多的数据,以至于必须使用物理运输手段(如空运)将硬盘驱动器从望远镜现场送到中央处理机构,因为网络传输的速度太慢了。亚利桑那大学的EHT项目科学家普索尔特斯(Dimitrios Psaltis)表示,目前还不清楚项目团队将如何从太空中获取数据。
事件视界望远镜项目并不是唯一在黑洞探索上具有重要意义的项目。美国国家航空航天局(NASA)的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)正在搜寻宇宙深处质量超过太阳10亿倍的超大质量黑洞。激光干涉仪引力波天文台(LIGO)已经探测到由相对较小的黑洞合并产生的时空涟漪,这些黑洞的质量只有太阳的几十倍。
未来的项目,比如欧洲空间局(ESA)计划于本世纪30年代中期发射的激光干涉仪空间天线(Laser Interferometer Space Antenna,简称LISA)任务,将致力于观测超大质量黑洞合并产生的引力波。
哈佛大学天文系主任、该校跨学科“黑洞计划”(Black Hole Initiative)创始主任阿维•勒布(Avi Loeb)并未参与事件视界望远镜项目,他表示,黑洞研究即将迎来一个黄金时代。“在研究超大质量黑洞附近的环境时,有许多方法可以相互补充,”他说,“我们可以发现很多有趣的东西。”

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