科学家计划用望远镜网络解读黑洞

如何找到黑洞?首先,花费数年征募8个分布于四大洲的顶级射电天文台,进行空前规模的联合搜寻。随后,协调作业计划,让这些天文站连续几天同步地将观测区锁定到天空的相同区块。

然后,采集科学史上前所未有的海量观测数据——每夜生成2PB数据。

这正是近日试运行的事件视界望远镜(EHT)的大胆计划,这是一个分布于全球的射电望远镜组团形成的接近地球大小的虚拟天文站。科研人员希望在筛查海量数据时,能首次捕捉到位于银河中心的黑洞的细节,以及位于更远的M87星系尺寸更大的黑洞的图片。

之所以需要占用诸多天文研究设备,是由于这些黑洞距离地球很远,相当于在地球上观察月球表面的一个白吉馍,这要求望远镜的分辨率相较哈勃天文望远镜高出1000多倍。

但即便科研人员只能获取少许模糊的像点,也会对基础物理、天体物理和宇宙学产生深远影响。

EHT旨在接近每个黑洞的事件视界,越过此界后,强大引力会让任何物体都无法折返。通过获取这个界限之外的实景图片,科学家将能够对爱因斯坦的广义相对论进行到目前为止最严格的验证之一。

这些图片可能也有助于解释为什么某些超大质量黑洞会产生高能量喷流,并支配着各自星系及周边空间。

但人们首先需要天公作美。EHT要求从夏威夷岛到安第斯山脉、从比利牛斯山脉再到南极的8个观测地点的天空同时清澈如洗。这些以及其他约束条件意味着科学家每年只有一个时长两周的观测窗口期。

“必须万无一失。”EHT项目总监、哈佛大学天体物理学家Sheperd Doeleman说。

“射电天文学家喜欢挑战极限。”未参与该项目的斯坦福大学的天体物理学家Roger Blandford表示,EHT将是他们迄今为止面临的最难的挑战。

宇宙怪兽

自20世纪70年代起,天文学家就知道银河中心潜伏着一个反常的辐射源。在充满尘埃的银河中心人马座内部,射电望远镜捕捉到密度非同寻常的天体。

他们将其命名为人马座A∗,并最终收集到有力证据证明那是一个超大质量的黑洞,其质量约相当于400万个太阳。而位于M87星系中心的M87∗黑洞质量更大,约相当于60亿个太阳。

以天文角直径为量衡,这两个黑洞在所有黑洞中拥有已知最大的事件视界。

虽然科学家已经了解了较小的黑洞是如何形成的,但没有人确切知道这类超大质量“怪物”是如何成长的。在很长一段时间内,天文学家都在怀疑望远镜的分辨率能否发展到可以捕获这类黑洞的细节。

挑战归根结底源于基本光学原理。望远镜的分辨率更多取决于其直径,或者说光圈孔径,以及所观测的光的波长。如果望远镜直径翻倍,科学家能够分辨的物体尺寸将减半;光的波长减半也有同等效果。

假如,对于1.3或0.87毫米波长,计算显示碟形射电天线的直径需要远大于地球直径才能为人马座A∗或M87∗拍摄图片。

但在上世纪90年代后期,当时就任于德国马普朗学会射电天文学研究所的天体物理学家Heino Falcke及其合作伙伴指出,由黑洞引力导致的光线扭曲会像透镜一样将人马座A∗黑洞放大5倍左右。

这是一个好消息,因为这意味着甚长基线干涉测量技术(VLBI)或许可以用于观测该黑洞。

之所以有希望可以为人马座A∗黑洞以及更大的M87∗黑洞成像,是因为它们周围环绕着超高温等离子体。这些等离子气体能形成高速旋转的吸积盘,其内侧部分呈螺旋状缓慢回落。

Falcke等人认为,分布于全球的VLBI网络可以对约1毫米的波长进行观测,应该刚好可以提供足够的灵敏度,以分辨人马座A∗黑洞在吸积盘气流的光环上形成的阴影。

该团队还模拟了VLBI网络可能会观测到的景象。与大多数描绘黑洞的艺术想象图相反,黑洞后侧的吸积盘并不会像部分土星环被土星遮蔽那样消失。

黑洞周围不存在遮挡:引力会扭曲时空,而在黑洞周围发生的扭曲如此之强,光线会绕过黑洞,形成黑洞背面的多次畸变的像。

这应该会让吸积盘看上去像围绕黑洞阴影的光环。但它不会是那种普通的光环。吸积盘内侧的旋转速度接近光速,因此吸积盘的一侧——即转向观测者的一侧,会比另一侧明亮很多。

观测到的形状应该会犹如一个新月。

携手同行

目前供职于荷兰内梅亨大学的Falcke,曾在2004年参与了针对人马座A∗黑洞的首批VLBI观测中的一次。他们使用的是美国国家射电天文台在美国境内的网络,跨度为2000公里,接收波长为7毫米。

他们得到的仅是一个光斑,像是透过一块毛玻璃观察黑洞。

同时,从2007开始,由Doeleman带领的团队也单独对人马座A∗和M87∗两个黑洞进行了VLBI观测。他们利用3个天文站组成的VLBI网络对1.3毫米波长进行了测量,虽然未拍摄到事件视界的图片,但给出了其尺寸的上限。

这两个团队最终合力并联合其他机构形成了现有的EHT合作体。队伍在逐步壮大,调用的射电望远镜数量也随之增长。

4月,EHT将能进行4~5次夜晚观测,限制主要来自他们使用的阿塔卡玛大型毫米波天线阵(ALMA)。ALMA位于智利,是目前最先进的天文台,也是世界上预订超额最高的天文台之一。

他们计划用两晚观测人马座A∗,再用两晚观测M87∗。亚利桑那大学理论天体物理学家Feryal Özel解释说,在每个观测点,原子钟会标记每段电磁波的波峰和波谷到达的时间,精度达到1/10纳秒。

在典型的干涉测量法中,不同接收地点得到的到达时间是实时比较的,再通过三角法得到源点位置并重构图像。但由于众多天文台分散于全球各地,并且包括某些网络连接不畅的站点,研究人员只能先分别记录数据流,后期再进行比较。

喷流猎手

天体物理学家对EHT的成果预期很高。他们尤其感兴趣的是,或许一些数据可以解释宇宙中最壮丽的景象之一:某些超大质量黑洞以接近光速向星际空间喷射的巨大粒子喷流。

其中某些黑洞——包括M87∗,喷流长度甚至超过它们所在星系的跨度。但又不全如此:如果人马座A∗也有射流,可能它们太小或者太微弱以至于至今没有被发现。

科学家甚至不清楚这些喷流的成分,但它们似乎在宇宙的演化中扮演着突出角色。加拿大滑铁卢大学天体物理学家Avery Broderick说,特别是,通过加热星际间物质,喷流可以防止物质冷却形成星球,从而阻止星系的生长。

“喷流主宰着星系命运”。

天体物理学家给出的最可能的解释是,它们是贴着黑洞高速扭转的磁场产生的,但并不清楚其能量来源。上世纪70年代,Blandford及其同事给出了两种可能的模型:能量源于吸积盘;能量源于黑洞本身的自旋。

2015年,Doeleman小组报告了基于1.3毫米波长VLBI观测发现的人马座A∗黑洞周围磁场结构的首个线索。结果暗示,相较吸积盘,更有可能是黑洞自旋为射流提供了能量源。

在更基础层面,观察事件视界大小和形状,将能首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦的引力理论。这将跟进去年激光干涉引力波天文台(LIGO)发布的历史性发现,捕获到了质量接近大型恒星的黑洞,融合时发出的引力波信号。

该发现被公认为给黑洞的存在提供了最激动人心的证据,但它还没有给出无可争议的证据。

甚至,EHT有可能在目标区域找到不同于黑洞的未知物体。理论学家给出了一系列理论,解释当物质自重塌缩时可能发生的情景。其中某些理论认为这并不会形成黑洞,因为引力导致的塌缩会在恒星残骸越过无法折返的临界点前停止。

这有可能形成一种极致密的星球,而EHT或许可以探测到源自其坚硬表面的辐射。

不过,随着VLBI天文台的改善,也许其性能可以提升到帮助科学家确认事件视界是否像广义相对论预测的一样对称。欧洲空间研究与技术中心项目分析师Alexander Wittig说,“事件视界望远镜未来版本的分辨率或将帮助我们辨别阴影中更加精细的特征。

”为了这个目标,Falcke已经开始梦想通过太空望远镜阵列组成比地球体积还要大的EHT。

SOURCE: http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/4/374479.shtm

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