拍张黑洞照片为何这么难?我们究竟在期待什么?

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资讯发布 发表于 2020-5-5 22:30:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

毕竟就是,黑洞和宇宙空间都是玄色的,所以我们很难对黑洞举行成像。黑洞固然体积很小,但质量却极其地大,黑洞中布满了足够多的物质以供天文学家们观测,然而却不是那么轻易就让人观测到。

拍张黑洞照片为何这么难?我们毕竟在等待什么?

图片:现今著名的采用微波光谱拍摄的M87*的实际照片

上述图片是位于M87*星系中央的超大质量黑洞(SMB)。险些每个星系的中央部位都有一个超大质量黑洞,这并不是巧合,它们在星系的形成过程中不可或缺。一个星系的SBM险些都是该星系的死点位置,其质量巨细与其母星系的质量成比例(或者称之为它的母星)。银河系的超大质量黑洞——人马座A*,质量约为410万个太阳,已经相当大了。但是M87*的质量约为61亿个太阳,比人马座A*大了1000倍以上,即使以超大质量黑洞的标准来说M87*也相当大了。

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人马座A*是迄今为止隔断地球近来的SMB(仅26000光年远),固然了,我们之间还隔着 一个银河系,我们必须从布满各种物质的银河系圆盘中远眺才气看到它。而M87*与我们相距5400万光年,所以从某方面来说,M87*简直是个怪兽。固然从银河系的角度来说,它实在并不远(毕竟在夜晚你还能看到银河),但是它确实是极其地迢遥。当我们生命之树上的枝桠还很小时,人类还只是一种可爱的险些不被归为灵长类动物开始在恐龙消散后的星球上繁衍时,来自于M87*的光才开始释放,而直到今天才被我们接收到用以拍摄M87*的照片。

总而言之,M87*比人马座A*大了一千倍,远了两千倍,但更易成像。

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简朴来说,“M87”,这个无趣到令人惊讶的名字源于梅西耶(作为一个法国人,他的名字发音为“梅-西-耶”)。当时,天文学家们以用自己名字命名彗星而著名(仿照哈雷),梅西耶也想参与其中。然而毕竟证实,对于18世纪的望远镜来说,天空中有太多模暗昧糊看不清的东西,有可能是彗星,也有可能不是。所以,梅西耶把那些他不想再看第二次的东西列了个清单,而这个“忽视清单”则是他到现在还被人记住的缘故原由(趁便说一下,他还是发现了一些彗星的),M87星系刚幸亏“忽视清单”上序号87。

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图片:左图:我们星系的圆盘(从星系内部看)遮住了我们四周的一圈天空,包罗星系的中央(人马座A*所在地)。右图:M87是一个超巨型星系,在5400万光年外肉眼可见。但作为一个椭圆星系,它看起来就像镜头上一个污点,那条蓝色的小尾巴是一股等离子流(两种等离子流中的一种),从气体盘中流出后落入M87*至少有5000年。

当这个暗昧的甜甜圈状的气体物质云落入星系中会被加热并离子化。M87*固然比海王星的轨道大许多,但却比掉入它的物质云要小得多,所以掉入的气体云到达一个临界值时就会产生摩擦和压缩,和热量。会产生一个比我们太阳系大得多的太空热风暴,风暴 的中央黑暗处并不就是黑洞,而是缺少气体。万有引力的巨细与隔断的平方成反比:隔断减小一半,引力增至4倍;隔断减至三分之一,引力增至9倍。在牛顿的万有引力定律中,物体绕某点活动的轨道巨细是没有限定的,但在爱因斯坦的(修正)万有引力公式中,平方反比定律只是在一个低重力情况下发挥效用的近似值(根本上,牛顿的万有引力对于除了黑洞之外的情况都应用得很好)。结果表明,黑洞有一个最内层的稳定轨道,轨道半径是施瓦兹奇尔德半径的三倍(黑洞半径的三倍)。任何试图靠近轨道的物体都会盘旋进入,这个甜甜圈的边缘就是最内层的稳定轨道,气体只能在被吸入黑洞前发出最后的光芒。

M87*四周气体的温度根本雷同,但是因为黑洞在螺旋活动,它的一边在向我们活动,另一边则正相反。与此同时存在一种叫“相对论光束”的效应(通常很难注意到),朝我们活动的一侧看起来更亮,高速活动的物质在其活动的方向上发出更多的光(只管从物质自己的角度来看,它仍然在各个方向匀称地发射光)。

我们险些可以保证能在M87*四周看到炽热的气体云,因为除了其他一些剧烈的征象之外,黑洞还会弯曲四周的光线。这并不是黑洞所独有的,我们每次看到光经过某个大质量的天体时都会看到“引力透镜效应”。毕竟上,广义相对论最早的证实之一是1919年的日食期间,在太阳的四周看到了原本位于其背后的恒星。因此,黑洞不是唯一可以大概弯曲光束的天体,但它们确实提升了艺术性;它可以大概完全改变光线的方向,甚至使其直接进入黑洞轨道,而不是使光线轻微偏转。所以当你看到黑洞四周有一股热气流时,这股热气流可能实际上是位于黑洞的背后。不管热气体盘的位置如何,黑洞的四周总会出现气体。

引力透镜不但仅只是娱乐屋的镜子只有肴杂图像的作用,毕竟上引力透镜给我们的资助很大。暗斑的巨细实际上是黑洞巨细的三倍(最内部的稳定轨道),但透镜效应的放大作用会进一步放大它。

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图片:前景中“赤色斑点”星系的引力,LRG 3-757,把光线弯曲成一个星系,以至于它看起来像一个环。如许的引力透镜可以让我们通过观察质量如何扭曲迢遥物体的图像来质量的分布,有时甚至被有意(作为透镜)利用。以便更好地看到所述远处的物体。

我所了解的一个永远正确的咒骂是:你从不感到惊讶,且很少被约请到场聚会会议。新的黑洞的照片实际上并不是一个发现,但它是一个惊人的成就。正如我们今天所理解的,黑洞最初是在施瓦兹奇尔德将最新出书的爱因斯坦广义相对论方程应用到一个稠密的物质球上,然后继承推导时被理论化的。当代物理学有一个既定的轨道,从根本假设开始,建立可验证的理论,然后应用这些理论得出每个人都认为太疯狂而不可能是真的的结论。而黑洞,是真实存在的,这是一个很好的每个人都认为太疯狂而不可能是真的结论。

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现在,你很难再找到一个还不信赖黑洞的存在极其根本的、整体的性子的天文学家或者物理学家。固然,在某些细节问题上他们另有争议,这并不希奇,毕竟他们是科学家。一系列的的观测结果已经完全符合黑洞的猜测性子,激光干涉引力波天文台(LIGO)正在举行的引力波探测完美地符合黑洞归并所产生的引力波。位于星系焦点的恒星以光速的1%的速度(对于任何非粒子的恒星来说,光速都是极其地快)绕着一个暗而紧凑的“放射源”运行——类星体是宇宙中最豁亮、能量最高的物体,它们的容貌能被落进超大质量黑洞的气体云描述出来,但在其他方面还是完全秘密。

那么,当天文学家终极得到一个真实黑洞的直接图像时,他们期望得到什么呢?根本上就是我们现在所看到的,用来猜测真实图像的模仿结果料想之中的正确。

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图片:由黑洞模仿器生成的(非暗昧)图像

如果这个模仿照片和实际图像完全不同的话,那反而更好,比如说实际的照片是个笑脸图案或者之类的,只有当我们猜测堕落了或者对结果感到惊讶甚至两者皆有时,科学才会进步。这张新图片的作用是给广义相对论的验证更添一层保障,这简直是好事。拥有一个始终正确的杰出理论是远远不够的,你还必须给它任一个可能堕落的新时机。

从理论上讲,我们并没有劳绩许多。就像履历物理学中“吃你的蔬菜”一样。我们所得到的都是通过积极得到的,从前没有如许做是因为太难了。M87*隔断地球约5400万光年,直径约380亿公里,使得M87*相对于地球的张角为42微秒。要知道一个圆有360度,1度有60弧分,1个弧分有60弧秒,一百万个微秒。42微秒就相当于500公里外一根头发的张角。

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因而问题来了:这实在是太小了。对于一个有衍射极限的望远镜来说,它的分辨率是有一个极限值的,这个衍射极限和光的波动性有关。你的望远镜构造得越完美,就越接近这个衍射极限,但不能更好了。如果望远镜的主透镜或者反射镜的直径为D,所采用光的波长为W,那么你能分辨出的最小角度(以弧度为单位)约莫是1.22W/D,所以波长越短,望远镜越大,照片越清楚。现在著名的黑洞图像就是用波长为1.3毫米的微波光拍摄的,这意味着要得到一个中央黑暗的暗昧圆圈(“嘿,这是一个黑洞!”)而不是暗昧的污点(“嘿,有可能是黑洞的气体云!”),你须要一个直径为几千公里的望远镜。问题又来了:这实在是太大了。

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而地球的直径恰好为几千公里,所以我们只须要一种能把整个地球的直径利用起来的方法。事件视界望远镜(EHT)——一个由望远镜构成的国际合作项目,它指向M87*的有用口径巨细跟地球的巨细差不多。常规的望远镜通过网络光线并将其聚焦在探测器上来形成图像。来自迢遥光源的光波扑面而来,又经反射镜反射到达焦点。如果反射镜是标准的抛物面,根据多少原理这一步是主动完成的,因为每束平行光线都须要雷同的时间来聚焦(这是抛物面所具有的有利特性之一)。

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图片:为了发挥作用,望远镜会反射光线,如果入射光束来自正确的方向,那么它们会同时到达探测器。左图:常规望远镜中,镜子的形状使其能主动完成这个功能;右图:事件视界望远镜必须强行把光波重新组合,这须要大型的盘算机来完成到达极高的精度。

如果镜子的一部门缺失了,不要紧。光波仍然可以大概同时到达焦点,但其中的一些波只是通过而不能被探测到。所以毕竟上,EHT不须要覆盖一个地球的巨细,它只须要把镜子的每部门分散到地球上。但是仍然存在一个巨大的问题:从M87*发出的光从未聚焦在同一焦点上,而是将每个单一的望远镜阵列接收到的信息记录下来(通常通过将硬盘加载到望远镜上网络数据),然后利用超长基线干涉丈量(VLBI)技能举行处理。“超长基线”是指单个望远镜之间的隔断非常长,“干涉丈量”是指将网络到的光波举行干涉处理。

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干涉处理非常重要,仅仅得到每个望远镜所看到的是不够的。让光波的波前同时到达探测器是望远镜有用工作的一个非常重要的部门。毕竟,除了目标物体之外的物体发出的光也会被探测器探测到,只是到达探测器的时间不同。到达时间不同的光线会干涉相消。因此,两大挑衅是:数据整合,同时正确知道到达地球的目标光束何时被每个不同的望远镜探测到。你须要可以大概分辨出当前波前和下一个波前,如果两个波前相距1.3毫米,且以光速进步,那么你就须要正确地域分相隔4皮秒(4万亿分之一秒)的两个波前。

所以,每个望远镜都须要全新的原子钟和超快相机。接下来你就会明白为什么数据整合看起来更像是货品运输而不是电子邮件的附件;每秒数万亿次的快照不但是为了捕捉波前,而且当数据都处理完时,波也会消散不见。除此之外,要想知道(通常是在事变发生之后)每个探测器举行转向时移动了任一毫米,以及地球的自转,都会带来很大的影响。

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此外,这张照片确实拍得好。从地球上看最大的两个黑洞——人马座A*(它很近)和M87*(它很大),都能通过雷同EHT的望远镜举行成像。但是如果说技能的总体发展汗青有一个迹象的话,那就是——第一次险些是不可能实现,而第一千次险些是令人发指的轻易。我们很快就能拍到M87*更好的照片,也能拍到人马座A*的照片。一旦我们在整个地月空间(月球轨道内的空间)建立一系列空间望远镜,我们将可以大概得到每个附近星系焦点位置的超大质量黑洞(SMB)的照片,这就是科学真正开始的时间。自1980年以来,低本钱的地球轨道已经下降了99% ,总体来说,太空飞行的代价在将来几十年会大幅下降,因此建立一组大型太空望远镜不是什么大问题。

M87*的暗昧图像是进入一种全新的天文学研究的第一步,它将超乎你想象地迅速变成一种常规化研究。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

translate: 激光干涉仪

author: The Physicist

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来源:https://www.toutiao.com/a6802084758621782539/
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