首張黑洞照片是如何拍攝的?科學家解釋:需要多個望遠鏡聯合觀測

2021-01-12 騰訊網

我知道您能夠將望遠鏡陣列通過方法轉換成望遠鏡之間的距離。例如,假設你將美國沿海岸的10個望遠鏡串聯起來,那麼,您基本上可以得到一個「美國」大小的望遠鏡。這是怎麼實現的?增加更多的望遠鏡能做什麼?我的意思是,如果我把望遠鏡的數量增加到20個,但它們仍然在美國,這會提高解析度或者其他的統計數據?如果增加望遠鏡的有效距離會增加什麼(比如說,現在它們已經遍布整個地球…)?

這張地圖顯示了所有與創建「視界事件望遠鏡」相關聯的望遠鏡——捕捉第一張黑洞照片的望遠鏡。圖片由EHT Collaboration提供。

這是一個非常好的問題,這一問題與最近發布的第一張黑洞周圍氣體的照片有關!你所描述的是一種稱為「幹涉測量法」的技術。你已經很好地描述了這一技術——相距很遠的望遠鏡可以通過這種技術連接起來,形成一個「虛擬望遠鏡」,其解析度等於一個望遠鏡,其尺寸大小等於連接的望遠鏡之間的距離。首先,我會回答如果你(1)將望遠鏡分開得更遠,以及(2)增加更多的望遠鏡會發生什麼,然後我會解釋為什麼。

如果在陣列中增加更多的相距遠的望遠鏡,那麼就能夠在結果圖像中看到更小的細節。這就是為什麼他們用世界各地的望遠鏡來拍攝黑洞的原因——黑洞非常小而且距離很遠,看起來非常小,所以我們需要相距很遠的望遠鏡。

如果僅僅在數量上增加更多的望遠鏡,但不增加任何一對望遠鏡之間的距離,那麼會遇到兩個問題。第一,因為設置更多的望遠鏡意味著增加了更多的光線收集區,觀察者必須用更短的時間觀察目標光源,所以收集光線的速度變快。我們用這些技術觀察到的物體通常很暗,這意味著圖像的曝光時間必須非常高,才能收集足夠的光線。第二,圖像的質量是以不直觀的方式提高了。所以能辨別出的小細節的效果沒有改善,但是能夠看到的細節數量增加了。我想用演示的方式更好地解釋這一點。

如果只使用兩個相連的望遠鏡拍攝,那麼就會拍出單個點的圖像。它看起來根本不像一個點!這種條紋圖案是相同物理現象的結果,當你通過一個雙縫照射雷射時,會產生點圖案。這些圖片由Andrea Isella提供。

2臺望遠鏡

如果使用三臺相連的望遠鏡拍攝,即使我們只拍一個點的照片,也會看到各種各樣的點。

3臺望遠鏡

使用四臺相連的望遠鏡拍攝,這些人工點就更少了。

4臺望遠鏡

如果使用了八臺相連的望遠鏡,那麼就可以開始看到中心的圓點(真正的圓點)比所有人造圓點都亮。

8個天線

還有其他方法可以去除人工點。當你長時間曝光時,地球會在你觀察目標的同時旋轉,這有很大幫助。以下的圖片包括地球自轉大約6小時。

8臺望遠鏡 8小時

圖解:幹涉測量法的原理圖

這是望遠鏡之間的延遲時間圖。綠線連接了同時發射的光子,說明光首先到達右邊的望遠鏡。長度「L」與望遠鏡之間的延遲時間是直接相關的。圖片由Bob Emery提供。

這背後的物理原理有點複雜。簡言之,這些望遠鏡陣列測量的是成對望遠鏡之間光線到達的延遲時間。如果沒有延遲,即光同時到達兩個望遠鏡,這意味著到光源的線必須與兩個望遠鏡之間的線完全垂直。如果延遲時間等於兩個望遠鏡之間的距離除以光速,那麼意味著光源必須位於連接兩個望遠鏡的線上。與源的每個角度都對應一個延遲時間,因此如果可以測量出此延遲時間,則可以測量與源的角度。如果你使用的望遠鏡彼此相距較遠,那麼延遲時間更長,也更容易測量,從而計算出更精確的角度。結合兩個以上的望遠鏡需要使用複雜的數學方法,即使用傅立葉變換和相關函數來產生出像我上面展示的那些圖片、黑洞的第一張圖像。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. astro

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