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想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜

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online_member 发表于 2019-9-10 21:37:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
事件视界望远镜由散布在世界各地的多个望远镜组成,但它运作起来如同一个巨型望远镜。接下来让我们揭示它是如何运作的。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜82 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

如果你想更深入、更清晰地观察宇宙,有一个大家都赞同的理想策略:建造一个尽可能大的望远镜。但我们在天文学领域所建立的分辨率最高的图像,并不是由最大的望远镜拍摄到的,而是来自一系列中等尺寸的望远镜组成的望远镜阵列:事件视界望远镜。这怎么可能呢?这就是我们本周要问天文学家伊森的问题,迪特想知道,他问道:

我不太能理解为什么说事件视界望远镜是“一个”望远镜(它的口径宛如地球大小)。

当你把事件视界望远镜看作是“一个”射电望远镜的时候,我就可以知道由于入射信号的波长和地球的直径,它的角分辨率很高。我也知道时间同步很关键。

但是阵列中的10多个独立望远镜,非常有助于解释为什么事件视界望远镜的直径被认为是“一个”望远镜。构建M87星系中心的黑洞图像是我们迄今取得的最显著的成就之一。事件视界望远镜让拍摄黑洞图像变得可实现。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜5 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

图解:亮度距离关系,以及来自光源的光通量是如何随着距离平方而衰减的。地球的温度与地球到太阳的距离息息相关,这决定了太阳每单位面积上有多少能量会射入我们的星球。因为能量守恒,遥远的恒星或星系才会有明显的亮度。请注意,当光线离开光源时,光线也会在区域内发散。 (伊桑·西格尔《星河之外》)

首先,你要了解光是如何工作的。当你在宇宙中看到任何发光物体,其物体所发出的光在离开光源后会在球体中发散。如果你只有一个单点的光电探测器,你仍然可以探测到遥远的发光物体。

但你还是没法解决问题。

当光(例如光子)像检测器一样撞击到你的探测点时,你可以记录光的到达;你可以测量光的能量、波长和光线的来源。但是你无法得知这个物体的物理属性,比如它的大小、形状、物理范围,也不知道该物体各个部分的颜色和亮度是否不同。这是因为你只在一个单点上接收信息。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜5 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

图解:星云NGC246被称为骷髅星云,因为它有两只发光的眼睛。其实它中心有一对双子星,而较小较暗的那颗恒星与星云密切相关,因为它把星云的外层吹灭了。它距离地球大约1600光年,位于鲸鱼座内。你要是把星云看作多个物体的结合,你就需要分辨这些物体的特征,这取决于望远镜的大小和穿过其低倍镜的光波长的数目。(双子座南方转基因生物基地,特拉维斯校长(大学)。(阿拉斯加)

你想知道你是否正在寻找一个像我们太阳一样的恒星,或多光点,就像你在双星系统中发现的那样?为此,你需要在多个地点接收光。不同于点状探测器,像反射望远镜上的主镜一样的碟形探测器可以多方位探测光。

当光线进来时,它照射的不是一个点而是一片区域。镜子反射球体中的光线,并聚焦到一个点上。光源不同的光线会聚焦到两个不同的位置,不管它们靠的有多近。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜44 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

图解:所有的反射望远镜都应验了一个原理:用一个大的主反射镜反射入射光,并把入射光聚焦到一个点上,然后把光分解为数据并记录,或者用来构建图像。这张具象图表说明了赫歇尔-洛蒙诺索夫望远镜系统的光路径。请注意:两个光源不同的入射光会被聚焦在两个不同的位置(蓝色和绿色路径),前提是望远镜有这样的聚焦能力。(维基媒体共用用户尤金尼乌斯)

如果你的望远镜比两个物体之间的距离还要大,你的光学也足够好,你就能解决这个问题。如果你正确构建了设备,你就可以分辨多个物体。这两种光源似乎是相互区别的。从技术的角度看,三个量之间是有关系的:

1.望远镜达到的角度分辨率

2.望远镜达到的直径

3.以及望远镜可以探测到的波长。

如果光源距离比较近,或者你的望远镜比较小,或者你用更长的光波去观测,那么你要解决的问题会越来越具有挑战性。那么,你就很难分辨是否有多个物体,或者你观测到的物体是否有明亮和黑暗的特征。如果你的分辨率不够高,你只能观测到模糊、难以分辨的单个点。
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图解:分辨率受三个因素所限制:望远镜的直径、目标光线的波长和光学设备的质量。如果你拥有完美无缺的光学设备,你可以一直提高分辨率直到瑞利极限,这样你就可以达到物理中最高的分辨率。(斯宾塞·布莱文/公共领域)

所以,这就是所有大型单碟望远镜的工作基础。光线来自光源,空间中的每一点——甚至同一个物体可以聚焦出不同的点——发射自身独特的光线。分辨率取决于我们的主望远镜所能容纳的波长数。

如果探测器足够灵敏,我们可以了解某个物体的所有特征。恒星的热和冷区域,如太阳黑子,我们可以观测到。我们可以在行星和卫星上看到火山、喷泉、冰盖和盆地等地貌。发光气体或等离子体的范围,以及它们的温度和密度也可以成像。你的望远镜的物理和光学特性决定了你是否可以取得这样的伟大成就。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜69 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

图解:这三个视图所展现的是:从地球上观测到的第二大黑洞——位于M87星系中心的黑洞。最上面的图片是哈勃光学望远镜拍摄的,左下图片来自NARO的无线电,右下图片是钱德拉的X射线。光学灵敏度、所用光的波长以及观测所用望远镜的大小决定了不同视点的不同分辨率。钱德拉X射线观测望远镜的直径只有8英尺(20cm)长,但由于它观测到的X射线波长极短,它的分辨率仍旧精确。 (顶部:光学,哈勃空间望远镜/NASA/WIKISKY;左下角:射电,NRAO/超大型阵列(VLA);右下角:X射线,NASA/Chandra X射线望远镜)

但也许你不需要整个望远镜。建造一个巨大的望远镜需要昂贵的资金和丰富的资源,而且实际上只为了两个目的来建造如此巨大的望远镜。

1.望远镜越大,分辨率就越高,这取决于主望远镜上光的波长数。

2.而望远镜的接收区域越大,可收集的光就越多,所以你可以比低面积望远镜观测到更小的物体和更精细的细节。

如果你的望远镜反射镜长了“斑点”——就像你给镜子贴了面具一样——你不再能够从这些位置接收光了。因此,亮度会限制你的观测物体与望远镜的表面积(聚光面积)成比例地减小。但是该分辨率仍等同于望远镜不同部分的距离。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜76 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

图解:2014年Atacama大毫米/次毫米阵列上拍摄的气象。ALMA也许是世界上最先进、最复杂的射电望远镜,它是事件视界线望远镜不可分割的一部分,因为其可以将原行星盘中隐藏的细节形成图像。(ESO/C.Malin)

这就是望远镜阵列所基于的原理。那里有很多的光源,特别是在频谱的无线电部分,是非常明亮的,所以你不需要在所有的收集区域建造一个巨大的单碟望远镜。

相反,你可以把望远镜排成阵列。因为来自远处的光线会扩散,所以你可以较大范围地收集光。你不需要把钱都用于建造具有最高光聚集能力的巨大望远镜上,但是同样高的分辨率必不可少。那就是巨型射电望远镜的应用原理。世界各地的一系列相互连接的望远镜让我们能观测到宇宙中一些无线电波清晰,但角大小最小的物体。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜52 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

图解:图显示了2017年“事件视界望远镜”观测M87星系时所使用的所有望远镜和望远镜阵列的位置。南极望远镜的特殊位置使得其无法观测到星系的中心,所以南极望远镜无法拍摄M87。这些地点中的每一个望远镜都配备了原子钟和其它设备。(NRAO)

在功能上,考虑以下两种场景没有区别。

1.事件视界望远镜是一面有许多隐蔽带的镜子。这些分布在世界各地的望远镜收集光并把它们聚焦成单一的点,然后合成图像,这样就能以最大分辨率去显示目标物体在空间中的不同亮度和属性。

2.事件视界望远镜由单个及单个阵列的望远镜组成,各个望远镜基地会分别记录数据。然后,经工作人员适当处理和分析数据从而合成图像,这样就可以显示你所观测的物体在太空的亮度和属性。

唯一的不同是这些望远镜需要使用什么样的技术来观测,但这就是为什么我们有VLBI科学:非常长的基线干涉测量。
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图解:在VLBI中,每个单独的望远镜都可以记录无线电信号,然后将它们送到中心处理器。每个被接收到的数据点都有十分精确的原子钟,以帮助科学家同步接收正确的观测结果。(公共域名/维基百科用户RNT 20)

你可能会开始有一些疯狂的想法,比如将射电望远镜发射到深空,并将它与地球上的望远镜联网来扩展你的基线。这个计划很好,但你必须知道,我们之所以不单在相邻的两个点建造事件视界望远镜是有原因的:我们希望在各个方向都能获得高分辨率。

我们想要在经纬线上全面覆盖天空,那么在理想的情况下,为拉远它们的距离,我们应该把望远镜放置在一个大的圆环上。当然,这是不可行的,地球有大陆、海洋、城市和国家以及其它边界、界线和限制。但我们有8个相对独立的站点散布在世界各地(其中7个可以观测到M87),真是十分了不起。
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图解:事件视界望远镜发布的第一张图像分辨率为22.5微秒,这样高的分辨率足以保证望远镜能够解析M87中心黑洞的图像。单个望远镜直径必须达到12,000公里才能有同样的清晰度。仔细观察April5/6图像和April10/11图像两者的不同外观,你会发现随着时间的推移,黑洞的特征正在发生变化。这有助于证明同步不同观测值的重要性,而不仅仅是简单地平均时间。(视界望远镜协作)

目前,地球限制了事件视界望远镜的观测能力,望远镜仅限于当前已联网的望远镜和可测量的特定波长。如果它可以发展到以较短的波长观测,并克服这些波长的大气不透明度,我们可以用同样的设备达到更高的分辨率。原则上,我们不需要借助新的单独望远镜就能以三到五倍的分辨率去观测物体的特征。
想知道黑洞照片是如何拍摄的吗?请了解事件视界望远镜92 / 作者:zylsnn / 帖子ID:53593,211324

通过各地同时进行的这些观测,事件视界望远镜确实像一个单一的望远镜一样运作。它只具有将单个望远镜的聚光能力聚集在一起的能力,但望远镜之间的距离不会影响事件视界望远镜可以达到的分辨率。

通过同时运用许多不同的望远镜(或望远镜阵列)突破地球直径的限制,我们能够获得解析事件视界望远镜所需的数据。

先进技术的运用、计算能力的提高以及新算法的增加,能够确保数据同步,直到形成一张图像,这让事件视界望远镜可以像单个望远镜一样运作。这并不简单,100多名科学家一起研究了许多年才达到了如今的成就。

但从光学的角度看,事件视界望远镜和单个望远镜的使用原理是一样的。来自不同光源的光线四处扩散,并被事件视界望远镜所接收。就如同它们被各地的巨大望远镜所接收一样。关键是我们如何将这些数据同步合在一起,并用它来重现实时事件的图像。

如今,事件视界望远镜成功做到了这一点,是时候把我们的目光转移到下一个目标了:尽可能多地了解我们可以观测到的黑洞。我和大家一样迫不及待。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3.medium-Ethan Siegel

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原文地址:今日头条
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