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事件视界望远镜(EHT)首次直接拍摄到黑洞的照片

2019-4-10 23:06| 发布者: hewei| 查看: 65| 评论: 0

摘要: 4月10日,全球六地通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)宣布已经成功获得了超大黑洞的第一个直接视觉证据。EHT是一个通过国际合作而实现的、由八个地面射电望远镜组成的观测阵列,主要旨在通过形成一 ...

4月10日,全球六地通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)宣布已经成功获得了超大黑洞的第一个直接视觉证据。EHT是一个通过国际合作而实现的、由八个地面射电望远镜组成的观测阵列,主要旨在通过形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜来捕捉黑洞的图像。

《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

EHT把地球上的望远镜“组合”起来形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。百年之前,爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证。如今,作为多年国际合作的结果,EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新方法。“我们捕获到了黑洞的首张照片”,来自天体物理中心哈佛大学及史密松宁学会的EHT项目主任Sheperd S. Doeleman说,“这是一项由200多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。”黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体,在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境,让时空弯曲,并将周围的气体吸引进来。在此过程中,气体的引力能转化成热能,因此气体的温度变得很高,会发出强烈的辐射。“如此一来,黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,我们期望着黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的,可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、来自荷兰Radbound大学的Heino Falcke解释。“这个暗影的形成,源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质,也使得我们能够测量M87黑洞的巨大质量。”

黑洞的事件视界(Event horizon)就是指围绕黑洞的一个时空边界,任何物质、甚至光线一旦越过这个边界,永远无法返回。但对于进入视界的物体来讲,其实感觉不到事件视界有什么奇异之处。除了事件视界,还有绝对视界和显视界之分。我们通常说的黑洞的大小,其实就是指黑洞视界面的大小。如果把太阳压缩成一个黑洞,其视界半径仅3公里!如果把地球压缩成黑洞,其视界半径仅9毫米!没写错,是9毫米。

这一突破为爱因斯坦的广义相对论提供了重要支持,有助于证实我们对引力的理解。它还可以帮助回答关于黑洞喷气机的长期问题,其中物体偶尔会喷出物质,以及脉冲星的活动。

创建EHT是一项艰巨的挑战,需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜来组成全球网络,而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。EHT 观测使用了甚长基线干涉测量(VLBI)技术,观测波段是1.3毫米。

在将每个恢复到等效分辨率之后的四个观察日中的每一天中M87的三个EHT基准图像的平均值。 指示的光束是20μs(即DIFMAP的光束,它总是三个单独光束中最大的光束)。

多次独立的EHT观测通过多个校准以及不同的成像方法均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域,即黑洞阴影。

“一旦我们成功对黑洞阴影成像,就可以将观测结果与理论预言相比较,检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是,我们所观测到图像的许多特征与理论预言相匹配”,EHT 董事会成员贺曾朴评论道,“这使得我们对观测的理论解释,包括对黑洞质量的测量,都充满信心。”

世界各地的射电望远镜同步观测,同时利用地球自转,形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,达到的分辨率约 20 微角秒,足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读纽约的报纸。参与此次观测的望远镜包括ALMA、APEX、IRAM 30米望远镜、James Clerk Maxwell望远镜、大毫米波望远镜(LMT)、亚毫米波阵(SMA)、亚毫米波望远镜(SMT)和南极望远镜(SPT)。马普射电所和麻省理工学院 Haystack天文台的专用超级计算机负责了对原始观测数据的互相关工作。

从位于西班牙的口径30米的毫米波望远镜(IRAM 30-meter telescope),到位于夏威夷的两座射电望远镜,再到位于南极洲的南极望远镜(South Pole Telescope)等都参与了这场伟大的观测。这8座毫米/亚毫米波射电望远镜分别为:

位于西班牙内华达山脉的30米毫米波望远镜(IRAM 30m);

位于美国亚利桑那州的海因里希?赫兹亚毫米波望远镜(SMT);

位于墨西哥一座死火山顶部的大型毫米波望远镜(LMT);

位于夏威夷的詹姆斯?克拉克?麦克斯韦望远镜(JCMT);

位于夏威夷的亚毫米波阵(SMA);

位于智利沙漠的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA);

位于智利沙漠的阿塔卡马探路者实验望远镜(APEX;

位于南极阿蒙森?斯科特观测站的南极望远镜(SPT);

坐落于智利北部阿塔卡马沙漠中的大型毫米波阵列望远镜(ALMA),是世界上该波段观测能力最强的望远镜阵列。

在这8座射电望远镜当中,要数阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA)最为强大!ALMA位于智利北部的阿塔卡马沙漠中,海拔达5000米,那里终年干旱,为观测创造了良好的条件。目前,ALMA是由66架可移动的单体望远镜组成的干涉阵列,望远镜之间通过光纤传递信息。ALMA造价达14亿美元,是目前最为昂贵的地基望远镜之一。如果没有ALMA的加盟,观测黑洞的视界简直是不能完成的任务。

EHT的建设和今天宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。这与来自世界各地的研究人员的密切合作是分不开的,是全球团队合作的典范。13个合作机构共同创建了EHT,使用了既有的基础设施并获得了各种机构的支持。主要资金由美国国家科学基金会(NSF)、欧盟欧洲研究理事会(ERC)和东亚资助机构提供。这一激动人心的成果受到了中国科学院天文大科学中心(CAMS)的支持,CAMS由中国国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立,是EHT的一个合作机构(EHT共有 3 个合作机构)的成员。上海天文台台牵头组织协调国内学者通过该合作机构参与此次EHT项目合作。“对 M87 中心黑洞的顺利成像绝不是 EHT 国际合作的终点站,”上海天文台台长沈志强研究员说。“ 我们期望也相信在不久的将来 EHT 会有更多令人兴奋的结果。”“我们已经取得了一代人以前认为不可能做到的事情”,Doeleman 总结到。“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起,打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”

事件地平线望远镜的观测现在可以算作本世纪最重要的科学突破之一。该活动的重点是观测网络的第一次全面运行的结果,该网络于2017年通过运营八个无线电观测站的科学家的合作进行,虽然这些图像对某些人来说似乎并不显着,但这些发现“将改变和加强我们对黑洞的理解.这些数据将使爱因斯坦的理论成为可能最严格的测试; 所观察到的黑洞的大小和形状都可以通过广义相对论方程来预测,这使得它大致呈圆形。

“我们已经看到了我们认为不可见的东西,”EHT主任Sheperd Doeleman说道,他介绍了我们第一次看到黑洞的发光橙色环。

虽然这些图像对某些人来说似乎并不显眼,但这些发现将改变并增强我们对黑洞的理解,“美国国家科学基金会主任法国科尔多瓦在开始现场活动时说。然而,观察一个遥远的,不可见的物体,就像它听起来一样复杂,科学家们从未直接想象过一个黑洞。

构成Event Horizo​​n Telescope工作的国际合作包括南极,欧洲,南美洲,非洲,北美和澳大利亚的天文台 - 所有这些都必须直接指向测量周围活动的对象。即使有了这些信息,科学家们也表示他们仍然会留下填补的空白。“我们收集的光线为我们提供了黑洞结构的一些指示,”ETH团队解释说。

努力基本上是捕捉黑洞的轮廓,通常也被称为黑洞的阴影。 ETH团队解释说,这将是“来自周围物质的明亮背景下的暗色形状,由强烈的时空曲率变形”。

“但是,由于我们只是在几个望远镜位置收集光线,我们仍然缺少有关黑洞图像的一些信息。“我们开发的成像算法填补了我们所缺少的数据空白,以便重建黑洞的图像。”

HORIZON TELESCOPE的工作原理

事件地平线望远镜背后的团队使用“虚拟望远镜”建造了8个位于地球不同点的无线电天文台,过去几年探索了银河系中心的超大质量黑洞 - 射手座A *,以及另一个**座的星系团中的目标。

Sgr A *(中心)的软X射线图像和最近爆炸的两个光回波(带圆圈)

该信息图详细说明了活动地平线望远镜(EHT)和全球mm-VLBI阵列(GMVA)参与望远镜的位置。 他们的目标是首次拍摄银河系中心超大质量黑洞事件视界的阴影,以及研究银河系中心周围吸积和流出的特性。

观测依赖于广泛分布的无线电天线网络。这些都遍布全球 - 南极,夏威夷,欧洲和美洲。这些无线电模拟望远镜的光圈,可以产生捕捉射手座A所需的分辨率。在每个无线电台都有大型硬盘驱动器,用于存储数据。然后,这些硬盘驱动器在马萨诸塞州波士顿市外的麻省理工学院海斯塔克天文台进行处理。努力基本上是捕捉黑洞的轮廓,通常也被称为黑洞的阴影。ETH团队解释说,这将是“来自周围物质的明亮背景下的暗色形状,由强烈的时空曲率变形”。

用事件视界望远镜获得了M87星系中心黑洞的图像,该图像是在其重要事件视界附近的强重力影响下,周围的热气体发出的。

黑洞是一个非常密集的物体,没有光可以逃脱。任何进入黑洞“事件视界”的东西,都会被消耗掉,永远不会重新出现,因为黑洞的重力难以想象。就其本质而言,无法看到黑洞,但环绕它的材料的热盘闪耀着光芒。在明亮的背景下,例如这个圆盘,黑洞似乎会投下阴影。令人惊叹的新图像显示了梅西耶87(M87)中心超大质量黑洞的阴影,这是一个距地球约5500万光年的椭圆星系。这个黑洞的质量是太阳质量的65亿倍。捕捉它的阴影涉及全球八个地面射电望远镜,它们一起运行就好像它们是我们整个星球大小的望远镜。“这是EHT团队的一项了不起的成就,”华盛顿NASA总部天体物理学部主任Paul Hertz说。 “多年前,我们认为我们必须建造一个非常大的太空望远镜才能成像黑洞。通过让世界各地的射电望远镜像一台仪器一样协同工作,EHT团队提前几十年实现了这一目标。“为了补充EHT的发现,美国宇航局的多个航天器是EHT多波长工作组协调的一项大型工作的一部分,用不同波长的光线观察黑洞。作为这项努力的一部分,NASA的钱德拉X射线天文台,核光谱望远镜阵列(NuSTAR)和Neil Gehrels SwiftObservatory太空望远镜任务,都适应不同种类的X射线,将他们的目光转向围绕它的M87黑洞。 2017年4月作为事件地平线望远镜的时间。如果EHT观察到黑洞环境结构的变化,可以使用来自这些任务和其他望远镜的数据来帮助弄清楚发生了什么。

EHT 合作涉及来自非洲、亚洲、欧洲、北美洲和南美洲的 200 多名研究人员。该国际合作正致力于通过创建与地球大小相当的“虚拟”望远镜来捕捉最精细的黑洞图像。在相当多的国际投资的支持下,EHT 使用新颖的系统连接现有的望远镜,实现了一种具有最高角分辨本领的新观测设备。

EHT的VLBI机制示意图。 每个天线分布在很远的地方,具有极其精确的原子钟。 由天线收集的模拟信号被转换成数字信号并与原子钟提供的时间信号一起存储在硬盘驱动器上。 然后将硬盘驱动器运送到中央位置以进行同步。 通过处理从多个位置收集的数据来获得天文观测图像。

麻省理工学院的计算机科学与人工智能实验室分享了这张Bouman图片,其中包含一堆黑洞图像数据硬盘

在新闻发布会之后,Bouman(右边的红色)称赞她的团队取得了令人难以置信的成就。 在Facebook上,她写道:“没有一个算法或人员制作这个图像,它需要来自全球的科学家团队的惊人才能和多年努力开发仪器,数据处理,成像方法和分析技术, 有必要摆脱这个看似不可能的壮举

科学家已经揭开了有史以来第一次拍摄黑洞事件视界图像的面纱。 在世界各地同时举行的一系列备受期待的新闻发布会上,事件地平线望远镜背后的团队揭示了他们第一次观察的结果。 发光的橙色环显示**座星系团中M87的事件视界

所涉及的各个望远镜是; ALMA(73 米)、APEX(12 米)、IRAM 30 米望远镜、IRAM NOEMA 天文台、James Clerk Maxwell 望远镜(JCMT,15 米)、大毫米望远镜 Alfonso Serrano(LMT,32.5 米)、亚毫米波阵列(SMA,14.7 米)、亚毫米望远镜(SMT,10 米)、南极望远镜(SPT,6 米)、基特峰望远镜和格陵兰望远镜(GLT)。

通过国际合作,该团队建造了一个与地球本身一样大的虚拟望远镜,使他们能够进入**座星系的中心。

事件视界是黑洞周围的理论边界,没有光或其他辐射可以逃逸。当任何一种材料太靠近孔的边缘时,称为事件视界,它的原子被撕裂。原子核消失在地平线以下,更轻的电子被困在黑洞强烈的磁场中并高速抛向它们周围。这种扭转运动使它们释放光子,光子是靠近黑洞的物质发射的主要来源。

这些数据将爱因斯坦的理论置于其最严格的测试之中;所观察到的黑洞的大小和形状都可以通过广义相对论方程来预测,这使得它大致呈圆形。模拟(顶行)显示在黑洞本身的图像上方(底行)

“我们现在有黑洞的视觉证据,”EHT主任Sheperd Doeleman说。 “我们现在知道M87的中心有一个黑洞。在黑洞周围移动的物质正以光速移动。在现场活动期间,Doeleman显示在突破性图像旁边

科学家是如何捕获黑洞的图像的?如图所示,该方法依赖于观察在落入黑洞本身之前围绕边缘旋转的材料。这会加热到极端温度,导致它发出明亮的光线,在黑洞周围显示为环状

这些数据将爱因斯坦的理论置于其最严格的测试之中;所观察到的黑洞的大小和形状都可以通过广义相对论方程来预测,这使得它大致呈圆形。阿姆斯特丹大学理论天体物理学教授塞拉马科夫说,我们现在已经证实,广义相对论在观察黑洞群时并没有改变。'M87巨大的黑洞质量使它成为一个怪物,即使是超大质量的黑洞标准。你基本上看的是一个几乎与太阳系大小相当的超大质量黑洞。研究人员估计它的质量大约是太阳质量的65亿倍。

虽然黑洞本质上是看不见的,但是在它们中间旋转的超热材料在周边形成一个光环,根据其轮廓显示物体的嘴部。此边界称为事件视界。在上面的历史制作新图像旁边描绘了黑洞的模拟

日本国家天文台的Mareki Honma在日本东京举行的新闻发布会上公布了第一张黑洞图片。周三在世界各地举行了同时举行的新闻发布会

多年来,这项工作一直在努力捕捉黑洞的轮廓,通常也被称为黑洞的阴影。这是通过观察在黑洞周围旋转的超热材料来完成的,如上图所示

这一突破为爱因斯坦的广义相对论提供了重要支持,有助于证实我们对引力的理解。上面显示了黑洞的模拟



钱德拉X射线天文台特写M87星系的核心。

关于黑洞的问题还有很多,美国宇航局的协调观测可能有助于解决这些问题。关于为什么粒子在黑洞周围获得如此巨大的能量提升,形成戏剧性的喷射,以近乎光速的速度从黑洞的两极涌出的神秘事件仍然存在。当材料落入黑洞时,能量会去哪里?

钱德拉X射线天文台特写M87星系的核心。

美国宇航局太空望远镜之前曾研究过一架距离M87中心超过1000光年的喷气式飞机。喷射器由靠近光速行进的粒子组成,从接近事件视界的高能量射出。 EHT的设计部分是为了研究这种喷气机的起源以及其他类似的喷气机。哈勃天文学家在1999年发现了一种名为HST-1的喷射物质,经历了一个神秘的增亮和暗淡循环。



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