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拍张黑洞照片为何这么难?我们究竟在期待什么?

时间:2020-03-11 14:06:40 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

为什么拍摄黑洞照片如此困难?我们到底在期待什么?

天文学在线

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事实是黑洞和空间是黑色的,所以很难对黑洞进行成像。尽管黑洞体积很小,但质量却非常大。黑洞充满了足够天文学家观察的物质,但对人们来说观察它们并不容易。照片

:目前著名的微波光谱

拍摄的M87*实际照片。上图是位于M87*星系中心的超大质量黑洞(SMB)几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞,这不是巧合。它们对于星系的形成是不可或缺的。星系的SBM几乎是星系的死点,它的质量与其母星系(或其母恒星)的质量成正比银河系的超大质量黑洞——人马座A*,拥有大约410万个太阳,已经相当大了。但是M87*有大约61亿个太阳,比人马座A*大1000多倍,即使按照超大质量黑洞的标准,人马座A *也相当大。

人马座A*是迄今距离地球最近的小型移动基站(仅26000光年)。当然,我们之间也有一个银河系,我们必须从充满各种物质的银河系圆盘上远眺才能看到它。M87*距离我们5400万光年,所以在某些方面M87*是一个怪物。虽然从银河系的角度来看,它其实并不遥远(毕竟,你仍然可以在晚上看到银河系),但它确实非常遥远。当我们生命之树的树枝还很小的时候,人类只是一种可爱的灵长类动物,很难归类为灵长类动物,并且在恐龙消失后开始在地球上繁殖,M87*发出的光开始释放,直到今天我们才收到拍摄M87*的照片。

总之,M87*比射手座大1000倍,比射手座大2000倍,但更容易成像

简而言之,“M87”,这个令人生厌和惊讶的名字源于梅西尔(作为一个法国人,他的名字发音是“梅-Xi-叶”)当时,天文学家以彗星的名字命名(模仿哈雷彗星)而闻名,梅西耶也想参与其中。然而,事实证明,对于18世纪的望远镜来说,天空中有太多模糊不清的东西,不管是彗星还是其他。因此,梅西耶列出了一个他不想第二次看到的东西的清单,而这个“忽略清单”就是他仍然被人们记住的原因(顺便说一句,他仍然发现了一些彗星)。M87星系就在序列号为87的“忽略名单”上。

:左图:我们银河系的圆盘(从星系内部看)遮住了我们周围的一圈天空,包括银河系的中心(人马座A*的位置)右图:M87是一个巨大的星系,距离我们5400万光年,肉眼可见。然而,作为一个椭圆星系,它看起来像透镜上的一个污点。蓝色的小尾巴是等离子体流(两个等离子体流之一),它从气体圆盘中流出,落入M87*至少有5000年了。

当这个模糊的环状气态物质云落入星系时,它将被加热并电离M87*比海王星的轨道大得多,但比落入其中的物质云小得多,所以当下落的气体云达到临界值时,就会产生摩擦、压缩和热量。将会有一场比我们太阳系大得多的太空热风暴。风暴中心的黑暗之处不是黑洞,而是缺乏气体。万有引力的大小与距离的平方成反比:距离减少一半,引力增加到4倍;距离减少到三分之一,重力增加到九倍。在牛顿万有引力定律中,物体围绕某一点的轨道大小没有限制,但是在爱因斯坦(修正的)万有引力公式中,平方反比定律只是它在低重力情况下有效性的近似(基本上,牛顿万有引力适用于除黑洞以外的所有情况)结果表明,黑洞在最内层有一个稳定的轨道,轨道半径是Schwartz Childre半径的三倍(黑洞半径的三倍)任何试图接近轨道的物体都会盘旋在轨道上。这个甜甜圈的边缘是最里面的稳定轨道,气体只能在被吸入黑洞之前发出最后的光。

M87*附近气体的温度基本上是相同的,但是因为黑洞是以螺旋运动的,它的一边向我们运动,而另一边则相反。与此同时,有一种叫做“相对论光束”的效应(通常很难注意到),这种效应在我们运动的一侧看起来更亮,高速运动的物质在其运动方向上发射更多的光(尽管从物质本身的角度来看,它仍然在所有方向上均匀地发射光)

我们几乎可以保证在M87*周围看到热气体云,因为除了一些其他的暴力现象,黑洞还会弯曲周围的光线。这不是黑洞独有的。每当我们看到光穿过巨大的天体,我们就会看到“引力透镜效应”事实上,广义相对论最早的确认之一是,在1919年的日蚀期间,原本位于太阳后面的恒星是围绕着太阳看的。因此,黑洞不是唯一能弯曲光束的天体,但它们确实增强了艺术性。它可以完全改变光的方向,甚至使它直接进入黑洞的轨道,而不是轻微地偏转光。所以当你看到黑洞周围有热气流时,热气流实际上可能位于黑洞后面。无论热气盘位于何处,黑洞周围总会有气体。

引力透镜不仅是娱乐室的镜子,也是混淆影像的功能。事实上,引力透镜对我们很有帮助。暗斑的大小实际上是黑洞(最里面的稳定轨道)的三倍,但是透镜效应的放大效应会进一步放大它。照片

:前景中“红点”星系的重力,LRG 3-757,将光线弯曲成一个星系,使它看起来像一个环。这种重力透镜允许我们观察质量如何扭曲远处物体的图像来分布质量,有时甚至是故意的(作为透镜)以便更好地看到远处的物体

我知道的一个永恒而正确的诅咒是,你从不感到惊讶,也很少被邀请参加聚会。新黑洞的照片实际上并不是一项发现,但却是一项惊人的成就。正如我们今天所理解的,当施瓦茨·查尔德将新近发表的爱因斯坦广义相对论方程应用于一个致密的物质球,然后继续推导时,黑洞首先被理论化了。现代物理学有一个既定的轨道,从基本的假设开始,建立可验证的理论,然后应用这些理论得出结论,每个人都认为这太疯狂了,不可能是真的。黑洞是真实的,这是一个很好的结论,每个人都认为它太疯狂而不真实。

现在,你很难找到另一个不相信黑洞及其基本和整体性质的天文学家或物理学家。当然,他们在一些细节上仍有争议,这并不奇怪,毕竟他们是科学家。一系列的观察结果与黑洞的预测性质完全一致。LIGO进行的引力波探测完全符合黑洞合并产生的引力波。银河系核心的恒星以1%的光速(对任何非粒子恒星来说都是极快的速度)绕着一个黑暗而致密的“放射源”运行——类星体是宇宙中最明亮、最有能量的物体,它们的出现可以用落入超大质量黑洞的气体云来描述,但在其他方面却是完全神秘的。

那么,当天文学家最终获得一个真实黑洞的直接图像时,他们会有什么期待呢?基本上,我们现在看到的是用于预测真实图像的模拟结果的预期精度。照片

:由黑洞模拟器生成的(非模糊)图像

更好,如果该模拟照片与实际图像完全不同,例如,实际照片是笑脸图案或类似的图案。只有当我们在预测中犯了错误,或者对结果感到惊讶,或者两者都有,科学才能进步。这幅新图片的作用是为广义相对论的验证增加一层保证,这的确是一件好事。光有一个总是正确的杰出理论是不够的。你还必须给它任何犯错误的新机会。

从理论上讲,我们并没有获得多少收益。就像经验物理学中的“吃你的蔬菜”我们是通过努力工作获得的。我们以前没有这样做过,因为太难了。M87*距离地球约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。你知道,一个圆有360度,1度有60弧分,1弧分有60弧秒,100万微秒。42微秒相当于500公里外一根头发的张角

因此产生了一个问题:这实在太小了对于有衍射极限的望远镜,它的分辨率有一个极限值,这与光的波动有关。你的望远镜越完美,就越接近这个衍射极限,但它再好不过了。如果望远镜的主透镜或反射镜的直径是D,所用光的波长是w,那么你能分辨的最小角度(弧度)大约是1.22瓦/天,所以波长越短,望远镜越大,图像越清晰。现在著名的黑洞图像是用波长为1.3毫米的微波光拍摄的,这意味着得到一个带有暗中心的模糊圆(“嘿,这是一个黑洞!”)而不是模糊的污点(“嘿,这可能是黑洞的气体云!”),你需要一个直径数千公里的望远镜。问题来了:这真的太大了

而地球的直径只有几千公里,所以我们只需要一种方法来利用整个地球的直径。事件地平线望远镜(EHT)——一个由望远镜组成的国际合作项目,其指向M87*的有效孔径大约是地球的大小。传统的望远镜通过收集光线并将其聚焦在探测器上来形成图像来自远处光源的光波吹向我们的脸,被反射器反射到达焦点。如果反射器是一个标准抛物面,这个步骤是根据几何原理自动完成的,因为每条平行光线需要相同的时间聚焦(这是抛物面的一个有利特征)照片

: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,它们将同时到达探测器。左图:在传统望远镜中,镜子的形状使其能够自动执行这一功能。右图:视界望远镜必须强制重组光波,这需要一台大型计算机才能达到极高的精度。

如果镜子的一部分不见了,也没关系光波仍然可以同时到达焦点,但是其中一些只是通过而不能被探测到。所以事实上,EHT不需要覆盖地球的大小,它只需要把镜子的每一部分都覆盖到地球上。然而,仍然存在一个巨大的问题:从M87*发出的光从未聚焦在同一个焦点上,但是每个单个望远镜阵列接收到的信息被记录下来(通常通过将硬盘装载到望远镜上来收集数据),然后使用超长基线干涉测量技术进行处理“超长基线”是指单个望远镜之间的非常长的距离,“干涉测量”是指对收集到的光波进行干涉处理

的干涉处理非常重要,仅仅得到每个望远镜看到的是不够的。使光波的波前同时到达探测器是望远镜有效工作的一个非常重要的部分。毕竟,目标物体以外的物体发出的光也会被探测器探测到,但是到达探测器的时间是不同的。不同到达时间的光线会相互干涉和抵消。因此,两个主要的挑战是:数据整合和准确知道何时到达地球的目标光束将被每个不同的望远镜探测到。你需要能够区分当前波前和下一个波前。如果两个波阵面相距1.3毫米,并以光速传播,那么你需要精确区分两个波阵面相距4皮秒(4万亿分之一)

因此,每个望远镜都需要一个全新的原子钟和超快照相机。接下来,您将理解为什么数据集成看起来更像货物运输而不是电子邮件附件。每秒钟数万亿次的快照不仅是为了捕捉波前,也是为了在处理数据时消失。此外,如果你想知道(通常在事情发生后),每个探测器在转动时移动了任何一毫米,并且地球的旋转将产生巨大的影响。另外,这张照片真的很好。从地球上看,人马座A*(非常近)和M87*(非常大)这两个最大的黑洞可以用类似于EHT的望远镜成像但是,如果说在整个技术发展史上有一个标志的话,那就是第一次几乎不可能实现,而第一千次几乎是不可思议和容易的。我们很快就能拍出更好的M87*和射手座A*的照片一旦我们在整个地月空间(月球轨道上的空间)建立了一系列的太空望远镜,我们将能够在每个邻近星系的核心获得超大质量黑洞的照片,这就是科学真正开始的时候。自1980年以来,低成本地球轨道已经下降了99%。总的来说,太空飞行的价格将在未来几十年内大幅下降。因此,建立一组大型空间望远镜并不是一个大问题。

M87*的模糊图像是全新天文学研究的第一步,它将很快成为超乎你想象的常规研究。

参考文献

1。维基百科全书

2。天文术语

翻译:激光干涉仪

作者:Physique

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