黑洞照片的背後英雄 事件視界望遠鏡

2020-12-05 中國航空..

位於美國亞利桑那州的多鏡面望遠鏡。

位於美國夏威夷的亞毫米波望遠鏡。

EHT觀測陣列。

位於墨西哥的大型毫米波望遠鏡。

位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣。

中國航空報訊:人類史上第一張黑洞照片誕生的背後是科學家們調動了全球從兩極到赤道共8個天文臺的力量進行圖片數據拍攝,之後,又有來自全球的62家科研機構共同參與, 花費了2年時間衝洗照片才有的成果。

雖然被稱為「望遠鏡」, 但事件視界望遠鏡(EHT,Event Horizon Telescope)其實是2016年天文學家們發起的一項國際觀測項目, 由全球分布的8個射電望遠鏡組成觀測陣列。由於需要極高的靈敏度,射電望遠鏡分布在多個高海拔地區, 分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope); 位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment); 墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope); 位於美國亞利桑那州的多鏡面望遠鏡(Submillimeter Telescope); 位於美國夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。

這些望遠鏡從南到北橫跨7000千米左右,從東到西跨越的距離也差不多,就是如果將它們彼此連線串聯起來,它們組成的面積將和地球的視直徑差不多,這些望遠鏡通過甚長基線幹涉測量技術(VLBI) 同時觀測某個黑洞,基本上可以看作以地球的視面積範圍上觀察,因此事件視界望遠鏡(EHT)也被稱為「地球一樣大的望遠鏡」。

組成事件視界望遠鏡的8處觀測臺多數都是單一望遠鏡,比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡;但也有望遠鏡陣列,比如ALMA望遠鏡是由70多個小望遠鏡構成,對黑洞的觀測將宏大而細緻,可以較好的得出黑洞的具體樣貌。

這次黑洞成像的背後英雄還有甚長基線幹涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI) 技術。VLBI利用廣為分布(距離可達上萬或幾十萬千米) 的射電望遠鏡,通過各臺站獨立記錄信號和後期對信號的綜合相關處理,獲得一個大小相當於各臺站之間最大間距的巨型(虛擬)望遠鏡。該技術可取得天文研究中最高的分辨本領。

隨著新的、高靈敏度亞毫米波臺站加入到全球VLBI陣列,黑洞的成像觀測成為可能。

EHT於2017年4月首次全面運行,並且在那一次的運行中就取得了全部的黑洞數據。期間,8臺射電望遠鏡對準了一個位於銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*(Sagittarius A*), 以及一個M87星系中心的黑洞。其中,人馬座A*位於銀河系的中心,質量約為太陽質量的四百萬倍;另一個更大的黑洞是處女座星系的M87黑洞(Messier 87),質量是太陽質量的70億倍。

儘管它們都十分巨大,在EHT的照片上卻很小。據一位在EHT工作的天文學家說,人馬座A*黑洞的大小大約是50個微角秒(角度單位)的寬度。一個微角秒大概是從月球上看地球上一篇文章末尾的句號的大小。

最終,EHT對兩個黑洞總共觀測了約5個夜晚,產生了4PB的數據。採集的數據量如此之大,這也是為什麼時隔兩年後大眾才有機會一睹黑洞的全貌的原因。

在照片問世的過程中,不同的望遠鏡要對各自採集的數據進行時間和相位的重新矯正,以實現多個數據的同步。這本身就是一項繁瑣的工作,而數據的後期處理更加耗費精力。如此巨量的數據,網絡帶寬不夠傳輸,研究人員轉而將數據拷貝到硬碟上,通過快遞硬碟實體來交換數據,這竟然成為了比網絡傳輸更快的方式。

位於美國亞利桑那州的多鏡面望遠鏡。

位於美國夏威夷的亞毫米波望遠鏡。

EHT觀測陣列。

位於墨西哥的大型毫米波望遠鏡。

位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣。

中國航空報訊:人類史上第一張黑洞照片誕生的背後是科學家們調動了全球從兩極到赤道共8個天文臺的力量進行圖片數據拍攝,之後,又有來自全球的62家科研機構共同參與, 花費了2年時間衝洗照片才有的成果。

雖然被稱為「望遠鏡」, 但事件視界望遠鏡(EHT,Event Horizon Telescope)其實是2016年天文學家們發起的一項國際觀測項目, 由全球分布的8個射電望遠鏡組成觀測陣列。由於需要極高的靈敏度,射電望遠鏡分布在多個高海拔地區, 分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope); 位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment); 墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope); 位於美國亞利桑那州的多鏡面望遠鏡(Submillimeter Telescope); 位於美國夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。

這些望遠鏡從南到北橫跨7000千米左右,從東到西跨越的距離也差不多,就是如果將它們彼此連線串聯起來,它們組成的面積將和地球的視直徑差不多,這些望遠鏡通過甚長基線幹涉測量技術(VLBI) 同時觀測某個黑洞,基本上可以看作以地球的視面積範圍上觀察,因此事件視界望遠鏡(EHT)也被稱為「地球一樣大的望遠鏡」。

組成事件視界望遠鏡的8處觀測臺多數都是單一望遠鏡,比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡;但也有望遠鏡陣列,比如ALMA望遠鏡是由70多個小望遠鏡構成,對黑洞的觀測將宏大而細緻,可以較好的得出黑洞的具體樣貌。

這次黑洞成像的背後英雄還有甚長基線幹涉測量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI) 技術。VLBI利用廣為分布(距離可達上萬或幾十萬千米) 的射電望遠鏡,通過各臺站獨立記錄信號和後期對信號的綜合相關處理,獲得一個大小相當於各臺站之間最大間距的巨型(虛擬)望遠鏡。該技術可取得天文研究中最高的分辨本領。

隨著新的、高靈敏度亞毫米波臺站加入到全球VLBI陣列,黑洞的成像觀測成為可能。

EHT於2017年4月首次全面運行,並且在那一次的運行中就取得了全部的黑洞數據。期間,8臺射電望遠鏡對準了一個位於銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*(Sagittarius A*), 以及一個M87星系中心的黑洞。其中,人馬座A*位於銀河系的中心,質量約為太陽質量的四百萬倍;另一個更大的黑洞是處女座星系的M87黑洞(Messier 87),質量是太陽質量的70億倍。

儘管它們都十分巨大,在EHT的照片上卻很小。據一位在EHT工作的天文學家說,人馬座A*黑洞的大小大約是50個微角秒(角度單位)的寬度。一個微角秒大概是從月球上看地球上一篇文章末尾的句號的大小。

最終,EHT對兩個黑洞總共觀測了約5個夜晚,產生了4PB的數據。採集的數據量如此之大,這也是為什麼時隔兩年後大眾才有機會一睹黑洞的全貌的原因。

在照片問世的過程中,不同的望遠鏡要對各自採集的數據進行時間和相位的重新矯正,以實現多個數據的同步。這本身就是一項繁瑣的工作,而數據的後期處理更加耗費精力。如此巨量的數據,網絡帶寬不夠傳輸,研究人員轉而將數據拷貝到硬碟上,通過快遞硬碟實體來交換數據,這竟然成為了比網絡傳輸更快的方式。

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