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谈谈第一张黑洞照片 精选

已有 6464 次阅读 2019-4-18 21:27 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 

2019410日,黑洞视界项目组(The Event Horizon Telescope CollaborationEHT项目组,“事件视界望远镜”项目组)公布了第一张黑洞相片,轰动了世界。

黑洞视界项目组不仅举行了新闻发布会,还在《天文物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)上发表了6篇文章,详细介绍了他们的工作成果。我大致看了看这些文章,简单摘录一些要点(不保证正确性啊)。

M87是巨大的椭圆星系,也是天空中最明亮的射电源之一,它的星系核是超大质量黑洞(SMBH)。M87星系核到地球的距离是5500万光年,这次观测的结果表明,其质量大约是65亿个太阳的质量。M87就是室女座A星系,也经常称为“M87星系”。】

这次的光学成像采用的是甚长基线成像技术(very long baseline interferometry, VLBI),选用的波长是1.3毫米的微波,接收器其实就是雷达,8个天文台组成了等效孔径相当于地球直径的大口径雷达。所以,角分辨率大约1×10-10弧度。【位于贵州的“天眼”FAST的孔径是500米(每次测量的有效孔径是300米),工作波长是10厘米乃至更长。】

这次得到的M87星系核黑洞的照片是个非对称的亮环,直径是42 ± 3 μas也就是2×10-10弧度。圆环中间暗,因为那里是黑洞,光跑不出来。圆环亮是因为黑洞附近的吸积盘发光(等离子体绕着黑洞转,因为电荷做变速运动而发光,类似于同步辐射),还有引力透镜效应和光子环路什么的,我也搞不清楚。圆环不对称是因为多普勒效应,吸积盘发光部分的转动速度达到了相对论速度。

成像原理【岳东晓:浅谈 EHT 黑洞照片拍摄原理】。对两个探测器之间的时间关联信号,进行反傅里叶变换,就可以得到物体光强分布。但因为只有八个探测器,只能覆盖很少的空间频率(这还多亏了地球在转动),所以这并不是一个完全确定的问题,需要做一些假设。

微波的波长1.3mm频率在230GHz附近。真实检测的信号位于中心频率在227GHz229GHz的两个2GHz带宽的频段里。先用一个221GHz的本地振子,通过混频器将信号转移到5-9GHz,然后在用另外的本地振子将它们分别转换到0-2GHz,用高速ADC把模拟信号转换成数字信号,再实时地保存下来。

短波测量的困难包括:射频接收电路里的噪音增大,大气更不透明,大气湍流导致的相位抖动,射频望远镜在毫米波和亚毫米波波段处的效率和尺寸都减小了。

为了做关联测量,所有的数据都打有时间戳,由GPS提供一部分定时服务(大约10ns精度),而且每个站都配备了氢原子钟,最终实现了大约10分钟的相干时间(可以认为,十分钟内,任何两个站的时钟都是精确对准的)。每次测量M87星系核3-7分钟,然后再对准星体3C 279测量2-3分钟(用于校准)。

每个观测站保存数据的压力是很大的。实时的数据传送速率是每秒钟32Gb,其组成如下:每个信号有两种偏振,每个偏振有两组2GHz带宽的数据,而且采样定理要求每个周期至少采两个数,最后,每个数据有2bit的深度。对于每个观测站,为了维持6天测量,总数据量大约是1PB(也就是100GB),中心站可以达到2PB

数据分为两组,分别运到美国和德国,并采用两种不同的方法来处理。四个小组得到的结果是类似的,最后公布的照片是某种平均的结果。

从某种意义上来说,甚长基线干涉法(VLBI)和引力波激光干涉法(LIGO)是研究广义相对论的互补方法,而且两者都在继续努力提高探测灵敏度。LIGO探测的是瞬态的引力波事件,测量的是一次性事件,赶上哪次算哪次;VLBI探测的是稳态的黑洞射电源,今后可以得到更加清晰的图片。

 

最后是花絮。

这个项目证实了,通讯带宽最大的数据传输方式是:用飞机运送装满数据的硬盘。

这个项目还反映了当前科学界的做事方法:1,召开新闻发布会来宣布成果;2,采用开放获取(open access)的方式发表文章;3,每个作者都采用身份识别码(ORCID)。

 


M87黑洞视界的初步结果(共6篇文章):

First M87 Event Horizon Telescope Results.

© 2019. The American Astronomical Society.

The Event Horizon Telescope Collaboration

I. The Shadow of the Supermassive Black Hole

The Astrophysical Journal Letters, 875:L1 (17pp), 2019 April 10

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0ec7 

II. Array and Instrumentation

The Astrophysical Journal Letters, 875:L2 (28pp), 2019 April 10

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0c96 

III. Data Processing and Calibration

The Astrophysical Journal Letters, 875:L3 (32pp), 2019 April 10

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0c57 

IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole

The Astrophysical Journal Letters, 875:L4 (52pp), 2019 April 10

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0e85

V. Physical Origin of the Asymmetric Ring

The Astrophysical Journal Letters, 875:L5 (31pp), 2019 April 10

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab0f43

VI.The Shadow and Mass of the Central Black Hole

The Astrophysical Journal Letters, 875:L6 (44pp), 2019 April 10

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab1141

 

岳东晓:浅谈 EHT 黑洞照片拍摄原理

http://blog.sciencenet.cn/blog-684007-1174022.html

 

百度百科:M87星系

https://baike.baidu.com/item/M87%E6%98%9F%E7%B3%BB




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