科学家计划用望远镜网络解读黑洞

资料来源:ESO

如何找到黑洞？首先，花了几年时间在四大洲招募了八个*的无线电观测站来进行一次前所未有的联合搜索。然后，协调运行计划，让这些天文站连续几天将观测区域同步锁定在天空的同一区域。然后，收集科学史上前所未有的大量观测数据——每晚生成2PB数据。

这是最近试运行的事件地平线望远镜(EHT)的大胆计划。这是一个接近地球大小的虚拟天文站，由分布在世界各地的射电望远镜组成。研究人员希望在筛选海量数据时，能够首次捕捉到银河系中心黑洞的细节以及更远的M87星系中更大黑洞的照片。

需要大量天文研究设备的原因是这些黑洞远离地球，这相当于一个白色的小圆面包在地球上观察月球表面。这要求望远镜的分辨率比哈勃高1000多倍。但是即使研究人员只能获得一些模糊的图像点，它也会对基础物理学、天体物理学和宇宙学产生深远的影响。

EHT的目标是接近每个黑洞的视界，超过这个视界，强大的引力将阻止任何物体返回。通过拍摄超出这个极限的真实场景，科学家们将能够对爱因斯坦的广义相对论进行迄今为止最严格的验证。这些照片也可能有助于解释为什么一些超大质量黑洞会产生高能喷流，控制它们的星系和周围空间。

但是首先，人们需要天堂变得美丽。EHT要求从夏威夷岛到安第斯山，从比利牛斯山到南极洲的八个观察点的天空同时保持晴朗。这些和其他限制意味着科学家每年只有一个为期两周的观察窗口。“必须万无一失。”EHT项目主任、哈佛大学天体物理学家谢泼德·多勒曼说。

"射电天文学家喜欢挑战极限。"没有参与该项目的斯坦福大学天体物理学家罗杰·布兰德福德说，EHT将是他们迄今面临的最困难的挑战。

宇宙怪物

自20世纪70年代以来，天文学家已经知道在银河系中心潜伏着一个异常辐射源。在布满灰尘的射手座星系中心，射电望远镜捕捉到了密度异常的物体。他们把它命名为人马座A，并最终收集了强有力的证据来证明它是一个质量相当于400万个太阳的超大质量黑洞。M87星系中心的M87黑洞质量更大，相当于60亿个太阳。这两个黑洞拥有所有黑洞中已知最大的事件视界，以天文角度直径来衡量。

尽管科学家已经知道小黑洞是如何形成的，但没有人确切知道这些超大质量“怪物”是如何成长的。很长一段时间，天文学家们怀疑望远镜的分辨率是否可以用来捕捉这些黑洞的细节。

挑战归结为基本的光学原理。望远镜的分辨率更多地取决于它的直径或孔径，以及观察到的光的波长。如果望远镜的直径翻倍，科学家能分辨的物体大小将减半。光的波长减半也有同样的效果。如果，对于1.3或0.87毫米的波长，计算显示碟形无线电天线的直径需要比地球的直径大得多才能为人马座A或M87 *拍照。

但是在20世纪90年代末，德国马克斯·普朗克射电天文学研究所的天体物理学家海诺·法尔克和他的伙伴们指出，黑洞引力造成的光畸变会把半人马座A黑洞放大到透镜的五倍。这是个好消息，因为这意味着可以用很长的基线干涉测量法来观察黑洞。

之所以有可能对半人马座A黑洞和更大的M87 *黑洞进行成像，是因为它们被超高温等离子体所包围。这些等离子体气体可以形成一个高速旋转的吸积盘，吸积盘的内部以螺旋形状慢慢后退。法尔克等人认为，分布在世界各地的VLBI网络可以观测到大约1毫米的波长，这应该能提供足够的灵敏度来区分由人马座A黑洞在吸积盘气流晕上形成的阴影。

该团队还模拟了甚大规模集成电路网络可能观察到的情况。与大多数描绘黑洞的艺术图像相反，黑洞后面的吸积盘不会像土星环的一部分被土星屏蔽一样消失。黑洞周围没有避难所:重力扭曲了空间和时间，黑洞周围的扭曲非常强烈，光会绕过黑洞，在黑洞背面形成多个扭曲的图像。这将使吸积盘看起来像黑洞阴影周围的光环。但这不是普通的光环。吸积盘内的旋转速度接近光速，所以吸积盘的一边，也就是面向观察者的一边，会比另一边亮得多。观察到的形状应该像新月。

手拉手走路

法尔克目前在荷兰的奈梅根大学工作，他于2004年参与了对人马座a黑洞的第一次VLBI观测。他们使用美国国家无线电天文台的网络，跨度为2000公里，接收波长为7毫米。他们得到的只是一个光点，就像透过一片磨砂玻璃看到一个黑洞。

与此同时，从2007年开始，多勒曼领导的团队还分别观察了两个黑洞——人马座A和M87 *的VLBI。他们使用由三个天文站组成的甚大规模集成电路网络测量了1.3毫米的波长。虽然没有拍摄事件视界的照片，但给出了它的大小上限。

这两个小组最终联合起来，与其他机构组成了现有的EHT合作机构。随着队伍逐渐扩大，部署的射电望远镜数量也有所增加。

今年4月，EHT将能够进行4-5个夜晚的观测，限制主要来自他们使用的阿塔卡马大毫米阵列。位于智利的阿尔玛天文台是目前最先进的天文台，也是世界上超额认购最多的天文台之一。他们计划在两个晚上观察人马座A，在两个晚上观察M87。亚利桑那大学的理论天体物理学家弗雅尔·欧泽尔解释说，在每个观测点，原子钟以1/10纳秒的精度标记每个电磁波波峰和波谷的到达时间。

在典型的干涉测量中，实时比较不同接收位置的到达时间，然后通过三角测量获得源位置并重建图像。然而，由于许多观测站分散在世界各地，包括一些网络连接不良的站点，研究人员只能单独记录数据流，然后再进行比较。

喷气机猎人

天体物理学家预计EHT会有很高的结果。他们特别感兴趣的事实是，也许一些数据可以解释宇宙中最壮观的景象之一:一些超大质量黑洞以接近光速的速度喷射到星际空间的巨大粒子喷射。这些黑洞中的一些，包括M87，其喷射长度甚至超过了它们所在星系的跨度。但不是全部:如果射手座a也有喷气式飞机，它们可能太小或太弱，目前还找不到。

科学家甚至不知道这些喷流的组成，但它们似乎在宇宙的演化中扮演了重要的角色。加拿大滑铁卢大学的天体物理学家艾弗里·布罗德里克说，特别是通过加热星际物质，喷射可以阻止物质冷却形成行星，从而阻止星系的生长。"喷射主宰着星系的命运。"

天体物理学家给出的最有可能的解释是，它们是由一个高速旋转的磁场产生的，磁场与黑洞相互作用，但它们的能量来源尚不清楚。20世纪70年代，布兰德福德和他的同事提出了两种可能的模型:能量来自吸积盘；能量来自黑洞本身的旋转。

2015年，多勒曼团队报道了基于1.3毫米波长VLBI观测的半人马座黑洞周围磁场结构的第一条线索。结果表明，与吸积盘相比，黑洞旋转更有可能为喷流提供能量来源。

在更基本的层面上，观测视界的大小和形状将是爱因斯坦的引力理论首次在超大质量黑洞周围的极端空间中得到验证。这将是继LIGO去年公布的历史性发现之后的又一项发现，它将捕捉到质量接近大恒星的黑洞融合所发出的引力波信号。这一发现被认为为黑洞的存在提供了最令人兴奋的证据，但它还没有提供无可争议的证据。

甚至，EHT可能会在目标区域发现不同于黑洞的未知物体。理论家们给出了一系列的理论来解释当物质的重量崩溃时会发生什么。其中一些理论认为，这不会形成黑洞，因为在恒星的碎片越过它无法回头的点之前，重力崩溃将会停止。这可能会形成一颗密度极高的行星，EHT也许能够探测到来自其坚硬表面的辐射。

然而，随着VLBI观测台的改进，它的性能可能会得到改善，以帮助科学家确认事件视界是否像广义相对论预测的那样对称。欧洲空间研究与技术中心的项目分析师亚历山大·维蒂希说，“未来版本的视界望远镜的分辨率可能有助于我们识别阴影中更细微的特征。”为了实现这个目标，法尔克开始梦想通过一系列太空望远镜形成一个比地球还大的EHT。(张张编)

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