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黑洞照片怎么拍的 今晚首張黑洞照片將出爐
時間:2019-04-10 22:45   來源:今日頭條   責任編輯:毛青青

川北在線核心提示:原標題:黑洞照片怎么拍的 今晚首張黑洞照片將出爐 事件視界望遠鏡(地平線實錄望遠鏡)將成為有史以來有著最高分辨率的望遠鏡。 要了解它是如何運作的,可參考以下一些背景知識。該望遠鏡的分辨率是由=1.22/D所給出,其中是 該望遠鏡可用來區分的最小角度,而是是波長


    原標題:黑洞照片怎么拍的 今晚首張黑洞照片將出爐

    事件視界望遠鏡(地平線實錄望遠鏡)將成為有史以來有著最高分辨率的望遠鏡。

   要了解它是如何運作的,可參考以下一些背景知識。該望遠鏡的分辨率是由θ=1.22λ/D所給出,其中θ是 該望遠鏡可用來區分的最小角度,而λ是是波長,D則是望遠鏡的直徑。

 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?
  插圖示意的是M87中心的超大質量黑洞及其周遭吸積盤。
 
  目前,我們需要是使得θ盡可能地更小一些,這樣我們便可解決人馬座A*的黑洞拍攝問題。(或者M87的黑洞,那也是EHT的目標)。
 
  顯然這也意味著要讓λ變小,或者讓D變大。通過連接全球各地的多個望遠鏡,EHT(事件視界望遠鏡)將基本上使D與地球一樣大。
 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?
  藝術家筆下黑洞的概念圖。周圍環繞黑洞的盤狀物質即為吸積盤、上方條狀物為噴流。該圖未考慮黑洞自身造成的重力透鏡效應對影像的影響。
 
  然問題變成了:你要使λ多小才合適?
 
  這純粹就是一個技術問題—要到達這些遙遠的地方的信號,它們必須要相互關聯。同時,這需要非常穩定,依靠時間同步接收器,確保它們之間可快速連接。
 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?

    黑洞的模擬圖片,由電腦合成制作,非直接拍攝

    在EHT之前,這只能在厘米范圍之內的波長(無線電波)下進行。理想的情況下,我們該在光學波長(納米波長)下進行此項操作,這樣我們才能在明面上拍攝照片,截至目前,我們在該項技術上還遠遠不夠。而EHT(事件視界望遠鏡)的技術則至少使得λ 推至1.3毫米,較之以前這是一個數量級的推進。

 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?

 

    這可使EHT(事件視界望遠鏡)降低至幾十弧秒。而這個人馬座A*黑洞的施瓦氏半徑距離地球約為10弧秒。所以這意味著EHT(事件視界望遠鏡)將能夠拍攝人馬座A*周圍的吸盤,而不是黑洞本身的照片,但這肯定比我們以前所做的更接近了。

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  核光譜望遠鏡陣列用高能X射線捕捉到了銀河系中心的超大質量黑洞的第一張聚焦照片
 
  1. 射電天文學是如何運作?
 
  無線電波僅僅只是一種長波長的光,而它需要與我們通常認為的光不同的裝置捕取。也就是說,這種望遠鏡基本上是——天線。
 
  這種望遠鏡的其中一種是極長基線陣列。
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  望遠鏡可獲得的分辨率會受到光圈直徑和觀測到的波長的限制。無線電波的波長太長,因此無法獲得良好的分辨率,但是您可以通過孔徑合成技術來彌補這點不足。
 
  當你制作一幅圖像時,基本上你所做的正是對視界的博里葉變換*進行采樣(可想象的是這就像是當你通過一個洞向一個屏幕發送光線時獲得的衍生圖像)。
 
  對于普通光線,你可使用一堆緊湊的像素就輕松完成此項操作,但這并不適用于無線電波。相反,你需要創建一組天線陣列,每一組天線(稱為“基線”)將采樣天空的不同部分。他們是通過使用到達每組天線的波之間的干擾來測量相位來實現這一點的…因此,對于此項技術,有個術語叫“干擾測量”。
 
  對于單個基線,它檢測到的無線電波在天空中的合成投影看起來就像一個簡單的正弧曲線。但是如果你采用許多組不同長度的基線,它們便會相互加成而產生實際圖像的衍生圖像。

 

 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?

 

    你最終獲得的圖像就如你擁有一個最長基線的巨型望遠鏡(所拍攝的圖像)。

    通過地球的旋轉使得望遠鏡相對遙遠的恒星在移動,便可進一步改善采樣:

 

 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?
  地球旋轉時EHT(事件視界望遠鏡)采用了射電望遠鏡的軌跡,以及它們采用的傅里葉變換。
 
  事件視界望遠鏡所采用的特殊技術被稱之為“超長基線干涉測量法”(VLBI),因為它涉及到全球范圍內望遠鏡的配對。這種技術使其可獲得比光學望遠鏡更高的分辨率…使用的是厚實的無線電波。實在太棒了!!
 
  2. 我們為什么要使用無線電?
 
  我們對人馬座A*的觀察完全被螺旋臂和中心之間厚厚的塵埃帶所阻擋。只有非常長的波長(紅外線和更長波長的)和非常短的波長(X射線和更短波長的)可以穿透這些塵埃,X射線和伽馬射線更傾向于穿透一切物質因為很難聚焦,而紅外線望遠鏡的分辨率卻與全球干涉儀的分辨率無法匹配。
 今晚首張黑洞照片將出爐,那么望遠鏡是如何為黑洞拍攝照片的?
  人馬座(中心)的軟X射線圖像和最近爆炸的兩個光回波(帶圓圈)
 
  3. 我們如何構建圖像?
 
  基本上,一旦你對傅里葉變換進行采樣,你需要逆變換以獲得天空強度的分布。這需通過軟件來完成,也就是所謂的反褶積。基本上,在你對任何東西求逆轉之前,你需要去除所有已經混合到你想要的信號中(“卷積”)的外部信號源。
 
  與簡單的光學成像相比,實際的過程極其耗時,因為需要大量的校準才可以在所有物體上獲得合適的相位(根據經驗,有時需要數月才能獲得實際圖像…)
 
  所以基本上,當EHT(事件視界望遠鏡)的工作人員完成他們的數據時,先別太高興。他們還需要一段時間才能真正有所收獲!
 
  *A傅里葉變換是一種將繼續時間信號轉換成一組頻率的數學方法。在這種情況下,我們正試圖將無線電信號之間的延遲轉變成為天空中的一組角頻率。
 
  可以能是作者的原因,有一項重要的信息沒提及,在此我來補充
 
  閱讀拓展:EHT想要得到最清晰的黑洞照片,那必須讓所有的單個望遠鏡同步工作,而EHT的望遠鏡遍布世界各地,且有一個在南極,他們是如何做到同步工作的呢?用原子鐘對各個望遠鏡進行較準就可以了。原子鐘的精確度非常高,每過幾億年才誤差一秒。所以,就如果高的時間精確度下就可以使各個望遠鏡做到同步工作了。
 
  圖片來源:
 
  1. NRAO圖片庫
 
  2.圖3.42來自NRAO的射電天文學基礎課程
 
  3.圖.2 來自Ricarte, A. 和Dexter, J. 2015, MNRAS, 446, 1973.
 
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