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黑洞照片将在全球六地同步发布,来看上海名列其中的原因

  黑洞今晚就要亮相了。

  北京时间4月10日晚9点,全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)将通过协调召开全球新闻发布会,事件视界望远镜(EHT)将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果,人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布。

  给黑洞拍照的“神器”是什么样的存在?

  事实上,这是一个虚拟的望远镜网络。据媒体报道,全球一共60多个研究机构参与了研究,其中包括中国科学院下属的上海天文台、云南天文台等机构,以及华中科技大学、南京大学、中山大学、北京大学、中国科学院大学、台湾大学等高校。这也是中国上海和台北两地联合举办新闻发布会的原因。

  

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  当物质落向吸积盘中的黑洞时,它释放能量并加热,导致盘的内部区域变得越来越热和明亮。图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center

  惊人的分辨率

  简单来说,分辨率越好,拍照越清楚。

  澎湃新闻记者从“事件视界望远镜” (Event Horizon Telescope, EHT)项目官网获悉,该项目希望能够辨析两个星系中心黑洞的“事件视界”:一个位于银河系的中心,另一个位于附近星系M87的中心。

  位于银河系中心的是巨大黑洞人马座A*,黑洞大小约是太阳的30倍,但它距离地球非常远,在月球上看起来和橙子差不多大小。看到人马座A*所需的分辨率是哈勃空间望远镜的2000倍。

  EHT项目负责人谢泼德·多尔曼(Sheperd Doeleman)此前接受媒体采访时这样形容其观测难度:相当于在纽约也能够清楚细数远在洛杉矶的一个高尔夫球上的凹洞。

  位于星系M87中心的是超大质量黑洞。这个黑洞的质量大约是人马座A*的1500倍,距离是人马座A*的2000倍。因此,它的事件视界的大小并不像人马座A*那么大。

  EHT 需要足够强大的分辨率,也称为角分辨率,以匹配这些黑洞的小角度大小。改进角分辨率是天文学家希望建造越来越大的望远镜的两个原因之一(另一个原因是提高了灵敏度)。

  作为比较,人眼在可见光下的分辨率约为60角秒,直径2.4米的哈勃望远镜的分辨率约为0.05角秒,但这样的角分辨率远远不足以实现事件视界望远镜的目标。

  根据EHT介绍,角分辨率是望远镜能有差别地区分开两相邻物体最小间距的能力。在天文学中,分辨率的数学公式是R (分辨率) ~ λ/D, 其中λ是望远镜的波长,D是望远镜的大小。D越大,R越小,角度分辨率就越好。

  D意味着EHT阵列中任意两个望远镜之间最长的距离。这就是为什么EHT望远镜会分布在北美洲、夏威夷、欧洲、南美洲和南极洲的原因。

  根据EHT介绍,这些望远镜一同协调能实现前所未有的角分辨率,这样的角分辨率甚至能够在地球上阅读月球上的报纸。如果没有EHT惊人的分辨能力,黑洞看起来就像一个点源,就像大多数恒星出现在肉眼中一样。

  

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  两个甚长基线干涉测量阵列连接全球各地的望远镜。EHT的角度分辨率大约为35微角秒,相当于站在纽约,能看到洛杉矶的一个2毛5分硬币上的日期。图片来源:ESO/O. Furtak

  如何选定观测时间?

  硬件有了,在什么时候观测才能看得更清楚呢?

  观测时机的关键在于可见度。EHT官网介绍,观测时机需要考量不同观测点的天气、观测可变性。由于不同地点的望远镜观测点分布在沙漠、热带地区、山区和冰原,所以EHT需要根据监控和分析一年内的气候变化,由此得出最佳可见度。

  气候之外,大气不透明度和透射率也直接决定了观测的效果。EHT透露,他们通过测量大气透视性来得出所有站点之间的相关性,并因此判断望远镜聚光的最有效观测时机。

  关于大气不透明度和透射率,EHT解释,在大气不透明度较高的情况下,空气中的分子会衍射(改变光子的方向)光,因此原始的信号会有所衰退。因此,EHT官方会持续监控天气模式的变化,以最大限度地减少信号衰减并观察最完整的波型。

  此外,对于提高望远镜的精度,EHT透露,增加更多的望远镜点位可以帮助提升图片的质量。从2018年起,又有格陵兰岛望远镜、位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续的研究和校准工作。

  而根据媒体报道,全球一共60多个研究机构参与了研究,其中包括中国科学院下属的上海天文台、云南天文台等机构,以及华中科技大学、南京大学、中山大学、北京大学、中国科学院大学、台湾大学等高校。这也是中国上海和台北两地联合举办新闻发布会的原因。

  之所以选择在中国上海发布来自事件视界望远镜的一项重大成果,上海交通大学物理与天文学院特别研究员祖颖认为,正是对中国现代天文学飞速发展的一个肯定,如上海天文台的射电望远镜参加了EHT前期的一些调试工作,有部分科学家参与了EHT的研究。另外,也代表了国际科学界对中国科技实力的重视,伴随着我们国家大型科学装置的设计和建造水平的提高,如贵州的全世界最大的单口径500米射电望远镜FAST的成功运行,相信在未来的科学发展高光时刻有更多中国科学家的身影。


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