土星望远镜可能会让我们第一次看到黑洞

子轸 2019年11月6日20:37:31 评论

土星望远镜可能会让我们第一次看到黑洞

天文学家将使用八台分散在全球各地的望远镜,以前所未有的规模收集数据,这是他们第一次尝试窥视黑洞。

爱因斯坦(Albert Einstein)最奇怪的预言-宇宙中撒满了如此密集的大型物体,甚至没有光也无法逃脱它们。尽管爱因斯坦对此理论表示怀疑,但它已经存在了一个多世纪。如今,天文学家相当确信,几乎每个星系(包括我们的星系)都拥有一个黑洞,其质量如此之大,以至于吞噬了附近的气体和尘埃,并经常将恒星撕成碎片。尽管没有人直接看到黑洞,但天文学家可能最终会做到这一点。

在接下来的10天里,全球六个地点的八个无线电天文台将指向隐藏在银河系中心的超大质量黑洞。如果这些天文台的天气条件相辅相成-横跨夏威夷最高的火山峰,南极的寒冷景观以及西班牙内华达山脉的滑雪坡地,天文学家将以从未尝试过的规模收集数据在物理学之前。

希望是第一次成像黑洞的事件视界,即无返回的引力点。尽管这只是银河系中心发光背景下的微小阴影,但该图像将进一步证明存在黑洞,将爱因斯坦的广义相对论置于其最严格的检验之一,并最终帮助天文学家了解黑洞如何统治各自的星系。

“我们希望看到看不见的东西,” 该事件地平线望远镜(EHT)主任Shepard Doeleman说。“我们希望看到某种事物,从本质上说,它试图做所有它看不见的事情。这是终极的隐形装备。”

土星望远镜可能会让我们第一次看到黑洞

Event Horizo​​n望远镜小组使用高性能计算机集群来生成可能在4月的观测期间捕获的图像的模拟。

看见看不见的人
尽管自1970年代以来,天文学家就知道一个超大质量的黑洞,即人马座A *,潜伏在银河系的中心,但似乎无法对黑洞进行成像。这是因为虽然人马座A *非常重,其质量是太阳的400万倍,但它还是微不足道的,半径仅宽17倍。要从26,000光年远的地方看到如此小的物体,需要一个具有全球范围的广播天线。

这听起来似乎是不可能的,但是干涉测量法不是—一种将多个天文台集成到一个虚拟望远镜中的技术,该望远镜的大小与位置之间的距离一样大。EHT的项目主管Dimitrios Psaltis喜欢这样解释:如果一个人在望远镜的单个反射镜上打洞,那只望远镜仍会像以前一样产生相同的图像-只是微弱。因此,干涉仪只是带孔的望远镜。或在EHT的情况下,它是一个由主要由孔组成的望远镜和几个不同的镜子。

十多年来,天文学家一直在缓慢地向地球大小的望远镜添加天文台,帮助其发展成为全球合作,涉及12个国家的30个机构。今年,天文学家将添加智利的Atacama大毫米/亚毫米阵列(ALMA)和南极洲的南极望远镜-这两个至关重要的地点将使虚拟望远镜的分辨率提高很多,使其比哈勃太空望远镜强1000倍。“我们可以在月球上观看曲棍球比赛,因为我们可以解决冰球问题,”外围理论物理研究所的理论家艾弗里·布罗德里克(Avery Broderick)说。那就应该有所作为。

土星望远镜可能会让我们第一次看到黑洞

位于智利安第斯山脉Chajnantor高原的Atacama大毫米/亚毫米阵列(ALMA)天线。

天文学家应该能够成像黑洞的原因(按照定义是黑洞)是因为它被过热的等离子体所包围。杜勒曼说:“由于自身引力的矛盾,黑洞可能是天空中最明亮的东西。” 当气体和尘埃落入超大质量的黑洞时,它会被加热到数十亿度,其亮度可能会超过星系本身。

黑洞前面的明亮等离子体像手电筒一样工作,在黑洞后面的等离子体上投射阴影,以产生天文学家可以在某些波长下检测到的轮廓。但是,与您可能想到的相反,该轮廓看起来不会像一圈光环,而这正是2014年热门电影《星际穿越》(Interstellar)弄错了它的地方。由于多普勒效应,环一侧的光子将获得亮度增强,而另一侧的光子将变暗。最终结果将是一束新月形的光,与月亮紧紧围绕在太阳后面的银条一样。

自相矛盾的是,黑洞可能是天空中最明亮的东西。”

考虑到这一希望的图像,EHT小组将在4月5日至4月14日的10天窗口中观察人马座A *两天。但是,他们的长期目标是也要冲刺天空以寻找其他黑洞。因此,在这次观测运行中,他们还将使事件地平线望远镜朝着M87摆动-这是一个距离处女座星系仅5350万光年的星系,它拥有另一个(甚至更大)的超大质量黑洞。

这将是一个令人费解的时间。杜勒曼开玩笑说:“只有偏执狂才能生存。” “您必须保持偏执,并且必须保持警惕。”

尽管团队并不希望出现任何技术故障,但他们仍然受天气的影响-处于六个不同的地点。首先,某些天文台比其他天文台更为重要。例如,南极望远镜距另一台望远镜的距离是其他所有望远镜的两倍,因此它几乎立即使分辨率提高了一倍。ALMA的分辨率也几乎是其他分辨率的两倍,因此它几乎立即将EHT的分辨率提高了一倍。这些地点之一的恶劣天气将证明是可怕的。

Broderick说:“我只是希望这不是一个世纪以来在阿塔卡马沙漠中有台风的时代,” ALMA居住在那里。

尽管该团队的许多成员将驻扎在全球的天文台,但他们将与马萨诸塞州剑桥市史密森天体物理天文台的团队保持不断联系。Doeleman,Psaltis和其他一些同事将在那里全天候监控整个阵列的运行状况和状态。

杜勒曼说:“太阳永远不会落在EHT上,或者最好的说法是银河系中心永远不会落在EHT上。”

爱因斯坦在聚光灯下
如果图像证明成功,它将提供无可辩驳的证据证明黑洞确实存在。当然,科学家们已经相当确定,在银河系中心的野兽除了黑洞之外什么都没有。这部分是由于数十年的证据,例如去年的历史发现,当时天文学家检测到两个碰撞的黑洞产生的引力波信号。但是想象一个将改变游戏规则的人。

斯坦福大学的天文学家罗杰·布兰福德(Roger Blandford)说:“人们很容易将黑洞视为一个高度投机的想法,这是科幻小说的承诺,但事实并非如此。” “黑洞曾经是那个领域,但是30或40年以来,非常清楚的是,它们在宇宙中非常普遍。除了所有合理的怀疑之外,包括我们自己在内的大多数正常星系的中心都有一个巨大的黑洞。”

假设Blandford是正确的,并且EHT收集到的图像确实类似于黑洞的轮廓,那么下一步将是测试爱因斯坦的相对论的一般理论,该理论从未在黑洞附近普遍存在的极端条件下进行过审查。其事件视界的大小和形状完全由广义相对论决定,因此,如果图像偏离预测,这些观察将提供一个天文学家可能根本不了解重力的暗示。

“我很乐意参加发现广义相对论是错误的合作,”布罗德里克承认自己的偏见。“我认为在过去的60年中,每个物理学家都梦想着做到这一点。但是,尽管如此,我仍然认识到,尽管它是很多人的幻想,但它从未成真。”不过,天文学家想要进一步的证据,而黑洞则提供了理想的实验室。

土星望远镜可能会让我们第一次看到黑洞

此图模拟了物质在黑色附近如何移动。EHT小组希望这些模拟能够与今年晚些时候捕获的图像进行比较。

黑洞悖论
这些观察结果可能是在黑洞事件视界之外的环境中最有效的照明方法。通过研究炽热气体落入事件视界的方法,天文学家将更好地了解黑洞如何生长到我们今天看到的怪物中。这是天文学的一个未解决的问题,因为我们还在早期宇宙中看到了这些超大质量黑洞,而对于这些黑洞而言,要发展到如此巨大的比例似乎还为时过早。

此外,M87主机在宇宙中最壮观的现象之一:一个巨型喷气式客机,芽从黑洞,这Doeleman比作远虽然这些飞机都是灿烂,明亮,和大规模的“喷灯星系的大小。” (有些扩展超出了星系本身,进入了星际空隙),天文学家仍然不知道它们是如何形成的。亲眼看到喷气式飞机可能会改变这种状况。

Broderick说:“事实证明,这不仅仅是天文好奇心,因为这些喷流允许黑洞影响其银河系恒星。” 它们通过注入阻止气体聚集的能量,从而终止恒星的形成,在塑造星系中扮演着重要角色。这意味着这些喷气机以及为它们提供动力的黑洞绝不是无辜的旁观者。他们不会静静地坐在银河系的中央,只在附近的尘埃和气体中。相反,它们控制着宿主星系以及其他星系的命运。

布兰福德说:“他们是伟大的宇宙戏剧的主要参与者。”

有这么多东西需要学习,不幸的是,有问题的图像不会在4月底的观察之前立即出现在屏幕上。因为这是物理学史上有史以来记录的最大数据量,所以所有这些数据都必须记录在硬盘驱动器上,然后运送到中央位置,超级计算机将所有内容组合成一个图像。该任务最多可能需要六个月。更进一步的延迟是,现在是南极望远镜的冬天,这意味着往返寂寞大陆的所有运动都不会恢复,直到秋天。

“有一些延迟的满足感,”布罗德里克说。“我们将拥有数据,我们将知道一切正常,没有望远镜爆炸,没有大风暴,没有接收器坠落,但我们将不知道几个月来的实际情况。然后,当我们打开包装盒并查看我们拥有的照片时,那将是一个特殊的时刻。”

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所属分类:UFO
子轸

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