观测黑洞的“事件视界望远镜”究竟多强大?盘点史上10大太空观测望远镜

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人类史上首张黑洞照片 仍在刷屏。为了完成这张特写,科学家们调动了全球从两极到赤道共8个天文台的力量进行图片数据拍摄,之后,又有来自全球的62家科研机构共同参与了照片的合成。

有人形容,观测黑洞的难度,就像让站在地球上的你寻找月球上的一枚硬币一样。目前,我们人类最强大的光学望远镜能够拍摄到最清晰的月球表面,其画面为1.3万像素,而每个像素里能容纳150万个硬币。难度可想而知。

黑洞EHT(谁和我一样用功,谁就会和我一样成功。——莫扎特)

而且,如果没有机器学习等相关的数据处理技术,这人类史上第一张照片可能要推迟个几十年面世了。

从观测角度来看,这是基线最长、规模最大的一次关于黑洞的射电成像;从科学的角度,这也是第一次高分辨率的观测黑洞边界,也是一次激动人心的观测验证理论的大事件,重要性不亚于引力波被发现。

根据质量,天文学家将宇宙中的黑洞分为恒星级质量黑洞(几十倍-上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)三类。

要对黑洞成像,最好的工具莫过于甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技术。VLBI利用广为分布(距离可达上万或几十万公里)的射电望远镜,通过各台站独立记录信号和后期对信号的综合相关处理,获得一个大小相当于各台站之间最大间距的巨型(虚拟)望远镜。该技术可取得天文研究中最高的分辨本领。

随着新的、高灵敏度亚毫米波台站(尤其是Atacama Large Millimeter/submillimeter Array等)加入到全球1.3毫米-VLBI阵列,黑洞的成像观测成为可能。

由于需要极高的灵敏度,组成全球网络的8个射电望远镜分布在多个高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。 这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。 中方科学家、上海天文台研究员路如森说。

看 得远、 看 得清仍然不够,给黑洞拍照还要 看 得准(最佳波段在1毫米附近)。黑洞周围气体的辐射在短毫米波段变得透明( 光学薄 ),这一点对黑洞成像至关重要。

台站的布局、灵敏度的提升等很多重要因素也需要考虑。

组成EHT望远镜分别是:南极望远镜(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。

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(图源:SCMP)

EHT项目此前宣布,用这一虚拟望远镜 拍照 的重点对象是两个黑洞,一个是位于银河系中心的 人马座A* ,另一个位于代号M87的超巨椭圆星系中心。黑洞照片是由此望远镜网络收集的数据,拼凑而成。

在这次拍照前,天文学家是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在,主要有三类代表性证据:一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞的强引力对周围的恒星、气体会产生影响,科学家可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在;二是根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在;三是通过看到黑洞成长的过程 看 见黑洞。此外,还有很多类似证据,无不说明黑洞真实存在。

但安徽省合肥市中国科技大学天体物理学家杨伟教授表示,即使在最高分辨率的情况下,图像仍会留下一些未解决的基本问题。

例如,黑洞的正中心被认为小于原子。然而,亚原子世界受量子物理学的支配,量子物理学是一套完全不同于爱因斯坦为宇宙规划的方程式的规则。 最终的真相仍将留在黑暗中。 他说。

EHT也表示,后续还会给更多黑洞进行拍照及研究,人类将能更深入地理解宇宙。

黑洞 之谜还有待深入,人类历史上那些顶级观测望远镜在探索太空的征程上却永不止步:

1)中国

首个X射线太空望远镜

2017年6月15日早上,中国发射了首个X射线太空望远镜,该望远镜将被用于观测诸如黑洞、脉冲星和伽马射线暴、暗物质、中子星、超新星等高能实体,以更好地理解它们的能量来源。同时我国成功发射首颗X射线空间天文卫星 慧眼 ,填补了我国空间X射线探测卫星的空白,实现我国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。卫星的4个主载荷观测能段基本覆盖整个X射线谱段,具有全天球扫描、目标定点凝视、小天区深度扫描和伽玛暴探测等多种探测模式。

天眼 (FAST):全球最大的球面射电望远镜

中国在贵州建造了地球上最大的球面射电望远镜之一,其直径超过500米。这个球面射电望远镜被当地人称为 天眼 。2017年10月,在刚刚启用一年之际, 天眼 发现了两颗新脉冲星,距离地球分别约4100光年和1.6万光年,是中国射电望远镜首次发现脉冲星。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位。

郭守敬望远镜(LAMOST):光谱获取率最高

郭守敬望远镜(LAMOST,大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)是一架横卧南北方向的特殊的中星仪式反射施密特望远镜。其有效通光口径为4米,视场角直径为5度。在5度视场、直径为1.75米的焦面上放置4000根光纤,可同时获得4000个天体的光谱,使其成为世界上光谱获取率最高的望远镜。

LAMOST的建成,突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得难题,成为目前国际上口径最大的大视场望远镜,是我国光学望远镜研制的又一里程碑,显著提高了我国在大视场多目标光纤光谱观测设备领域的自主创新能力。

西藏羊八井望远镜(CCOSMA):北半球台址最高

经过几年来中德科技人员的共同努力,成功将位于瑞士阿尔卑斯山海拔3100米Gornergrat的3米口径KOSMA亚毫米波望远镜技术拆移至中国西藏当雄县海拔4300米的羊八井,并更名为中德亚毫米波望远镜(CCOSMA),同时该望远镜归属于国家天文台及中国天文界。

这是中国第一架可用于常规天文观测的亚毫米波望远镜,也是目前北半球台址海拔最高的亚毫米波望远镜,建成后的羊八井天文观测站也是中国科学院国家天文台建于西藏的第一个专业天文台站。

2)美国

费米伽玛射线空间望远镜(GLAST)

费米伽玛射线空间望远镜发射于2008年,运行于近地低空轨道,隶属于美国宇航局、美国能源部和法国、德国、意大利、日本及瑞典等国。这台世界上最强大的望远镜通过高能伽马射线观察宇宙,最初被称作 伽马射线广域空间望远镜 (Gamma-ray Large Area Space Telescope),但是当这台望远镜建成后开始正常运行时,人们又根据意大利科学家恩里科 费米的名字给它重新命名。

费米伽玛射线空间望远镜能够探测到宇宙中最强大的射线。超大质量黑洞、中子星碰撞以及超新星爆炸都可能发出超强能量辐射。因此,费米伽玛射线空间望远镜的主要任务就是研究黑洞和暗物质。

开普勒太空望远镜:退役前发现了2662颗系外行星

2018年10月30日,NASA官方宣布,开普勒望远镜因燃料耗尽而无法继续开展作业,它会在当前所在轨道停止工作,9年的探索工作画上句号。NASA说,开普勒望远镜发现了2662颗系外行星,其中许多行星可能孕育着生命。其继任者是2018年4月发射升空的 凌日系外行星勘测卫星 。

NASA 宽视场红外巡天望远镜 (WFIRST)

美国国家航空航天局(NASA)正在规划的 宽视场红外巡天望远镜 (WFIRST)有望为人类提供有史以来最大、最深层、最清晰的宇宙图像,发现超过1000颗行星,进一步揭示宇宙的奥秘。

WFIRST由NASA和诸多天文学家设计,旨在发现新行星并研究暗能量(可能是破解宇宙膨胀之谜的关键)。WFIRST项目于2018年5月开始规划,预算约32亿美元,俄亥俄州立大学参与了该项目的启动、研究设计等工作。

据NASA Exoplanet档案显示,自天文学家开始搜索以来,已发现了3,917颗确认的系外行星。新的研究估计,WFIRST可以识别出太阳系以外的1400颗行星,包括大约100颗质量与地球相似或更低的行星。

开普勒发现的行星与其恒星间的距离小于地日间距离;而WFIRST则相反。WFIRST将借助引力微透镜效应来寻找新行星,微透镜效应与爱因斯坦的相对论有关,它使望远镜能在距地球数千光年远(比其他行星搜寻技术远得多)的地方找到绕恒星旋转的行星。但该效应仅在行星或恒星的引力使另一颗恒星的光线弯曲时才起作用,所以任何给定行星或恒星的微透镜效果每几百万年才能看到几个小时。有鉴于此,WFIRST将对银河系中心的1亿颗恒星进行长期连续监测。

哈勃望远镜

哈勃太空望远镜1990年进入近地轨道,之后不断向地球传回惊人的天文发现。

美国航天局大型轨道天文台计划包括的4颗大型空间望远镜:哈勃望远镜、康普顿 射线天文台、钱德拉X光天文台、斯皮策空间望远镜,分别工作在可见光和紫外线、伽玛射线及硬X射线、软X射线、红外线、这些不同的波段,取得了一定的成果。

詹姆斯 韦伯太空望远镜

韦伯太空望远镜(JWST)是哈勃望远镜的 接班人 。实际上是由美国国家航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)与加拿大宇航局(CSA)联手打造的。望远镜与2018年升空。哈勃的工作频率以可见光为主,延伸到近红外和近紫外,而JWST则集中于红外线波段,它用更大的镜片聚光,见图15-3a,以拍摄到太空远处的照片,希望能比哈勃极深空再深入下去。韦伯望远镜比较特别的是它的轨道。它不是像哈勃那样绕着地球转圈,而是位于太阳-地球系统的 拉格朗日2 (L2)点上。

3)智利

ALMA望远镜:史上造价最昂贵

位于智利北部阿塔卡马沙漠,能看清500公里外的一枚硬币。

ALMA 的全称是 阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵 ,它的建设工程始于2002年,是一个以欧洲、北美和日本等国家为主的大型国际合作项目。

整个天线阵有总计66面高精度天线,其观测在毫米/亚毫米波段,比可见光长了近千倍。天文学家由此能研究宇宙中最寒冷的天体 比如孕育恒星、行星的稠密的尘埃气体云,以及极早期宇宙中的天体以及探寻宇宙中是否存在能进化成生命的物质等。这是人类历史上至今为止造价最昂贵的地基天文望远镜设备。


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