第一张银河系黑洞图像是突破性的——下一张可能甚至更好

(2024-09-06 18:49:44)

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杂谈

第一张银河系黑洞图像是突破性的——下一张可能甚至更好

By Keith Cooper

published 6 hours ago

Black Holes

事件地平线望远镜的新能力将帮助它在围绕一个黑洞的阴影的光环中更详细看。

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事件地平线望远镜（EHT）是一个世界各地射电望远镜联合操作来成像超大质量黑洞的合作，又已经取得了最高的分辨率。在未来这一成就可能导致围绕一个黑洞的事件地平线的光环的图像更清晰50%，分辨迄今为止看不到的细节并产生黑洞如何随它们自旋变化的电影。

事件地平线望远镜工作在 “非常长基线干涉测量法” 原理上，简称VLBI。这涉及开发一个跨各大洲都集体的来观测同一天体的望远镜的网络，并在此过程中它们结合着数据。网络中两个最远的望远镜之间的距离越宽网络中的望远镜越多，分辨率越大。

事件地平线望远镜设法来成像我们银河系中心的射手座A*黑洞以及在椭圆星系M87中心的M87*黑洞，这标志着被人类捕获的前两张黑洞图像，因为它有一个宏大的基线。把基线想为望远镜的孔径。事件地平线望远镜的最南端望远镜是南极望远镜，而它的最北端站是格陵兰望远镜，这意味着该网络几乎横跨地球的顶和底。

与基线因素一道，波长有一个来起的角色，更低的波长取得更高的分辨率。我们银河系中心的和M87的黑洞的历史图像被以一个1.3毫米的无线电波长捕捉。在这个波长下 “光子环”是围绕事件地平线的发射环，有在它之内出现模糊的黑洞阴影，特别是在射手座A*的案例中。这是因为来自黑洞的射电发射部分的被我们和天体本身之间的星际介质中的电离气体散射。这造成光跨一个角度尺度变得模糊，与在1.3mm上的事件地平线望远镜的分辨率可比较的。在更短波长涂抹效果将是急剧的更不明显的。

为此，事件地平线望远镜首次已经能够在一个更短波长0.87mm进行非常长基线干涉测量法。

美国宇航局喷气推进实验室的亚历山大·雷蒙德在一份声明中说，“用事件地平线望远镜，我们通过检测在1.3mm波长的无线电波看到了第一批黑洞的图像，但我们看到的在黑洞的引力中弯曲的光形成的亮环仍然看起来模糊的，因为我们处在我们可以使这些图像多清晰的绝对极限上，在0.87mm我们的图像将是更清晰、更详细，这反过来将可能揭示新的属性，这两个之前被预测也有一些可能是不是的” 。

取得0.87mm的非常长基线干涉测量法并不是一件容易的事情，因此为什么以前它没有被完成过。其中一个困难不得不与大气层中的水蒸气倾向于吸收这种短波长无线电波有要做的，因此在事件地平线望远镜的所有观测点的天气都必须是非常干燥的。

参与突破性的事件地平线望远镜在0.87mm短波长非常长基线干涉测量的天文台的位置。 (Image credit: ESO/M. Kornmesser)

至于对这些观测地点，这个特殊的非常长基线干涉测量法实验涉及智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）和阿塔卡马探路者实验、西班牙的毫米范围射电天文学研究所（IRAM）30米望远镜、法国中北部扩展毫米阵列（NOEMA）、夏威夷莫纳克亚山的亚毫米阵列和格陵兰望远镜，所有这些都为事件地平线望远镜的观测站。探测着0.87mm的众多类星体，他们取得了一个19微弧秒的分辨率。

19微弧秒有多小呢？好，天空被划分为360度，每度由60弧分组成，每弧分又进一步细分为60弧秒。1微弧秒是1弧秒的百万分之一，因此19微弧秒就像能够来分辨在月球表面上的一个瓶盖一样。这是从来仅从地球的表面取得的一幅天文图像的最高分辨率（尽管地面和天基望远镜的结合在过去已经取得了类似的分辨率）。雷蒙德和他的同事们实际上认为当事件地平线望远镜操作在满能力时（例如包括南极望远镜，它没有参与0.87mm测试）事件地平线望远镜可以分辨到刚好13弧秒。

事件地平线望远镜的我们银河系的超大质量黑洞的图像，在一个波长1.3毫米上。 (Image credit: EHT Collaboration)

现在打算是在拍摄射手座A*和M87中的超大质量黑洞的新图像时来应用这一突破。

亚利桑那大学的勒莫（Remo Tilanus）是事件地平线望远镜的运行经理，他说 “时间是正确的，正如新检测证明的那样来推进到0.87mm”。

更高的分辨率不仅清晰围绕每个黑洞的光子环的图像，还会更精确描绘它们的形状和大小，允许更准确的估计黑洞的自旋和对我们的角度。它还带在其他星系中的超大质量黑洞进入射程，并允许我们来更接近从诸如类星体中活动黑洞射出的相对论性喷流的底基。这可以为黑洞的磁场如何产生几乎以光速移动并延伸出去进入更深数千光年深空的射流提供更多答案。

显示在1.3mm和在0.87mm一个黑洞的观测之间锐度中的差异的仿真。 (Image credit: Christian M. Fromm, Julius-Maximilian University, Würzburg)

除了现在能够在一个更短波长下运行外，有对事件地平线望远镜进行重大修改的到位计划，一个叫“下一代事件地平线望远镜”或简称“ngEHT”。这将为世界各地现有的事件地平线望远镜基础设施增加新的望远镜，优化来提供最大的基线和灵敏度，并改善合作的现有成员的探测器设施以便他们能够同时的在3mm至0.87mm之间的多个波长上观测黑洞。