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黑洞照片怎么拍的 要拍攝黑洞需要什么條件

來源:海峽網 責任編輯:admin 發表時間:2019-04-12 21:55 

 4月10日,“事件視界望遠鏡”(EHT)在全球6地方同步發布人類有史以來獲得的首張黑洞照片,照片是由分布在全球各地的射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡陣列共同完成的。

在正式看到黑洞照片之前,先讓我們一起來學習一下關于黑洞的背景知識。

黑洞是什么?

理論上,黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體,它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍,該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界(event horizon)。

宇宙中,根據質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成三類:恒星級質量黑洞(幾十倍-上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于兩者之間)。

為什么要研究黑洞?

黑洞就在宇宙中,等著我們去研究。列舉幾個有意思的理由:

第一,在我們居住的銀河系中中心就有一個超大質量黑洞,它的質量大約400多萬倍太陽質量。

第二,大家可能會問,這顆超大質量黑洞會影響我們的生活嗎?

第三,銀河系中除了這個超大質量黑洞外,還有很多恒星級黑洞,它們和我們有關系嗎?

第四,黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關系,這是我們非常關心的領域。

等等,黑洞自身有一堆秘密,讓人著迷。

如何確認黑洞的存在?真的有黑洞嗎?

黑洞的名字,乍一聽,黑的洞,那是不是表明沒法看見;如果沒法看見,那怎么就知道它存在呢?在這次拍照前,天文學家們是通過各種間接的證據來表明黑洞的存在,主要有三類代表性證據。

第一,恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力,對周圍的恒星、氣體會產生影響,于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

第二,根據黑洞吸積物質(吃東西)發出來的光來判斷黑洞的存在。

第三,通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

還有很多類似的證據,無不說明了黑洞真實存在。但這還是間接的,我們想直接“看”到黑洞。

給黑洞拍照,是要拍一張怎樣的照片呢?天文學家們期望拍一張怎樣的照片呢?

廣義相對論預言,由于黑洞的存在,我們將會看到中心區域存在一個因為黑洞視界而形成的陰影(shadow),其周圍環繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環,鑒于黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同,光環的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(注:史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑)。

為什么要給黑洞拍照?

對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據。黑洞是具有強引力的,因此給黑洞拍照,最重要的目的是在強引力場的極端環境下驗證愛因斯坦的廣義相對論,并同時細致研究黑洞周圍的物質吸積和噴流的形成及傳播。

什么樣的黑洞適合拍照?

黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環是非常非常小的。在拍照設備能力有限的情況下,要想拍攝到黑洞的照片,毫無疑問,我們希望找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比,這也就意味著質量越大,其事件視野越大,因此近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87*是兩個目前已知最優的候選體。

銀河系中心黑洞的史瓦西半徑約為10微角秒,其黑洞陰影的角直徑大小相應為47-50微角秒,這相當于一個蘋果在月球上的角直徑大小(月球的角直徑是30角分)。M87中心的超大質量黑洞(M87*)的黑洞陰影看起來要比銀心的黑洞陰影略小,約為37-40微角秒。

什么樣的望遠鏡可以對黑洞成像?

要對黑洞成像,必須要保證望遠鏡足夠靈敏,能分辨的細節足夠小,從而能保證看得到和看得清。滿足這些條件,最好的工具莫過于1967年出現的甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技術(值得一提的是,該VLBI技術也成功應用于我國嫦娥探月工程的探測器的測定位)。假定在1毫米波長觀測,一個長度為1萬千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領。

但大家可千萬別以為,只要VLBI陣列的分辨率足夠高,就一定能成功給黑洞拍照。因為,情況沒那么簡單。如同觀看電視節目必須選對頻道一樣,對黑洞成像而言,能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。

能介紹下此次拍照使用的視界望遠鏡(EHT)嗎?

為了捕獲第一張黑洞圖像,全球超過200名科學家達成了EHT這一重大國際合作計劃,EHT觀測所利用的技術就是毫米波VLBI,目前其工作波段在1.3mm,并且將有望擴展到更短的0.8mm。

EHT合作者們在2017年4月份到多個世界上最高、最偏僻的射電天文臺,以一種愛因斯坦永遠也不會想到的方式去檢驗廣義相對論。參與此次觀測的包括位于世界6個地點的8個臺站(Atacama Pathfinder Experiment,APEX;Atacama Large Millimeter/submillimeter Array,ALMA;IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope,SPT; James Clerk Maxwell Telescope,JCMT;Large Millimeter Telescope,LMT;Submillimeter Array,SMA; Submillimete)。

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