地球上最强大的望远镜以前所未有的细节捕捉黑洞
地球上最强大的望远镜以前所未有的细节捕捉黑洞
事件地平线望远镜（EHT）通过利用345 GHz频率，实现了前所未有的高分辨率地球观测，提供了更加详细和色彩增强的黑洞图像。天体物理学领域的这一进步利用了超长基线干涉测量法，将全球多个无线电天线连接起来，增强了我们对黑洞周围现象的了解，为未来对这些宇宙实体进行高保真可视化和可能的实时成像奠定了基础。
这幅艺术家的作品描绘的是位于巨大的椭圆星系Messier 87（M87）中心的黑洞。事件地平线望远镜的新高频观测大大提高了黑洞图像的清晰度，通过提高分辨率和色彩分辨能力揭示了更多细节。资料来源：ESO/M.Kornmesser
事件地平线望远镜（EHT）合作组织通过探测来自遥远星系中心、频率约为345千兆赫的光线，进行了测试观测，达到了迄今为止从地球表面获得的最高分辨率。
这些新成果与现有的M87和Sgr A中心超大质量黑洞图像（频率较低，为230千兆赫）相结合，不仅能使黑洞照片清晰度提高50%，还能产生这些宇宙巨兽边界外区域的多色视图。
M87*的并排模拟图像显示了从230 GHz到345 GHz的清晰度和分辨率的提高。这些改进使得科学家们能够更精确地测量黑洞的大小和形状。资料来源：EHT，D. Pesce，A. Chael
由哈佛大学和史密森天体物理中心（CfA）（包括史密森天体物理天文台（SAO））科学家领导的新探测结果今天发表在《天文学报》上。
论文共同负责人亚历山大-雷蒙德（Alexander Raymond）说："通过EHT，我们通过探测230千兆赫的无线电波首次看到了黑洞的图像，但我们看到的光在黑洞引力作用下弯曲形成的亮环看起来仍然很模糊，因为我们已经达到了图像清晰度的绝对极限，在345千兆赫的频率下，我们的图像将更加清晰和细致，这反过来可能会揭示出新的特性，既包括以前预测到的特性，也可能包括一些没有预测到的特性。"他以前是CfA的博士后学者，现在在NASA喷气推进实验室（NASA-JPL）工作。
这张合成模拟图像显示了事件地平线望远镜在86 GHz（红色）、230 GHz（绿色）和345 GHz（蓝色）频率下看到的M87*。频率越高，图像越清晰，揭示了以前不太容易辨别的结构、大小和形状。资料来源：EHT，D. Pesce，A. Chael
虚拟地球望远镜：释放EHT的能量
EHT利用一种称为甚长基线干涉测量（VLBI）的技术，将全球多个射电天线连接在一起，形成了一个虚拟的地球大小的望远镜。为了获得更高分辨率的图像，天文学家有两个选择：增加射电天线罩之间的距离或以更高的频率进行观测。由于EHT已经有了地球那么大的规模，要提高地面观测的分辨率，就必须扩大其频率范围，而这正是EHT合作组织现在所做的。
"要理解为什么说这是一项突破，不妨考虑一下从黑白照片到彩色照片时所获得的大量额外细节，"论文共同负责人、CfA和SAO的天体物理学家Sheperd"Shep"Doeleman说，他还是EHT的创始主任。"这种新的'彩色视觉'让我们能够将爱因斯坦引力的影响与哺育黑洞的热气体和磁场区分开来，这些热气体和磁场发射出强大的喷流，飞越银河系的距离"。
三棱镜能将白光分成彩虹般的各种颜色，因为不同波长的光在玻璃中的传播速度不同。但引力对所有光线的弯曲作用是相似的，因此爱因斯坦预测，在230千兆赫和345千兆赫频率下，EHT看到的光环大小应该是相似的，而黑洞周围旋转的热气体在这两个频率下看起来是不同的。
左侧，这张合成模拟图像显示了事件地平线望远镜在86 GHz（红色）、230 GHz（绿色）和345 GHz（蓝色）频率下看到的M87*。右图中，深蓝色显示的是345 GHz，这是一个更紧凑、更清晰的超大质量黑洞视图，绿色显示的是230 GHz，红色显示的是86 GHz。频率越高，图像越清晰，揭示了以前不太容易辨别的结构、大小和形状。资料来源：EHT，D. Pesce，A. Chael
克服高频VLBI的技术挑战
这是VLBI技术首次成功应用于345 GHz频率。虽然以前就能用单个望远镜观测345 GHz的夜空，但在这一频率上使用VLBI技术长期以来一直面临挑战，需要时间和技术进步来克服。大气中的水蒸气对345千兆赫频率波的吸收比对230千兆赫频率波的吸收要强得多，从而削弱了高频率下黑洞发出的信号。关键是要提高EHT的灵敏度，研究人员通过增加仪器带宽和在所有站点等待好天气来实现这一目标。
事件地平线望远镜（EHT）合作组织首次从地球表面以345 GHz的频率进行了甚长基线干涉测量（VLBI）探测。新实验使用了由智利的ALMA和阿塔卡马探路者实验（APEX）、西班牙的IRAM 30米望远镜、法国的NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA)、夏威夷毛纳基亚山上的亚毫米波阵列（SMA）以及格陵兰望远镜组成的EHT的两个小型子阵列，进行了分辨率高达19微秒的测量。图片来源：CfA/SAO，Mel Weiss
全球合作与尖端技术
新实验使用了由智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）和阿塔卡马探路者实验（APEX）、西班牙IRAM 30米望远镜、法国NOrthern Extended Millimeter Array（NOEMA）、夏威夷Maunakea上的亚毫米波阵列（SMA）和格陵兰望远镜组成的EHT的两个小型子阵列，进行了分辨率高达19微秒的测量。
CfA和SAO的天体物理学家、SMA的项目工程师尼米什-帕特尔（Nimesh Patel）说："地球上最强大的观测地点都在高海拔地区，那里的大气透明度和稳定性最佳，但天气可能会更加剧烈。"他补充说，在SMA，新的观测需要冒着毛纳凯亚结冰道路的危险，在暴风雪后的稳定天气中打开阵列，并在几分钟内完成。"现在，有了能处理和捕捉更广泛无线电频谱的高带宽系统，我们开始克服灵敏度方面的基本问题，比如天气。正如新的探测结果所证明的那样，现在是将频率提升到345 GHz的最佳时机。"
黑洞成像的未来：ngEHT项目
这一成果也为制作黑洞周围事件视界环境的高保真电影提供了另一块基石，而这将依赖于对现有全球阵列的升级。计划中的下一代EHT（ngEHT）项目将在优化的地理位置上为EHT增加新的天线，并通过升级现有台站使其能够同时工作在100 GHz至345 GHz的多个频率上。通过这些升级和其他升级，全球阵列预计将把EHT所拥有的锐利、清晰的成像数据量提高10倍，使科学家们不仅能制作出更详细、更灵敏的图像，还能拍摄出这些凶猛宇宙巨兽的电影。
CfA和SAO主任Lisa Kewley说："EHT在345 GHz的成功观测是一个重要的科学里程碑。通过挑战分辨率的极限，我们实现了早期承诺的黑洞成像前所未有的清晰度，并为地基天体物理研究的能力设定了新的更高标准"。
编译自/ScitechDaily