第一張銀河系黑洞圖像是突破性的——下一張可能會更好 _美國

據(jù)美國太空網(wǎng)（Keith Cooper）：事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）是世界各地射電望遠(yuǎn)鏡的合作項目，它們協(xié)同工作，對超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像，已經(jīng)達(dá)到了迄今為止最高的分辨率。在未來，這一成就可能會使黑洞事件視界周圍的光環(huán)圖像更清晰50%，解決迄今為止看不到的細(xì)節(jié)，并制作出黑洞在旋轉(zhuǎn)過程中如何變化的電影。
EHT的工作原理是“超長基線干涉測量法” ，簡稱VLBI 。這涉及利用各大洲的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò) ，這些望遠(yuǎn)鏡共同觀測同一物體，并在此過程中結(jié)合它們的數(shù)據(jù) 。網(wǎng)絡(luò)中最遠(yuǎn)的兩個望遠(yuǎn)鏡之間的距離越寬，分辨率就越高，網(wǎng)絡(luò)中的望遠(yuǎn)鏡越多，靈敏度就越高。
EHT成功地對我們銀河系中心射手座A*的黑洞以及橢圓星系M87、M87*中心的黑洞進(jìn)行了成像，這標(biāo)志著人類捕獲的前兩張黑洞圖像，因為它有一個巨大的基線。將基線視為望遠(yuǎn)鏡的孔徑。EHT最南端的望遠(yuǎn)鏡是南極望遠(yuǎn)鏡，而最北端的站是格陵蘭望遠(yuǎn)鏡，這意味著該網(wǎng)絡(luò)幾乎覆蓋了地球的上下。
除了基線因素外，波長也起著重要作用，較低的波長可以實現(xiàn)更高的分辨率。我們銀河系中心的黑洞和M87的歷史圖像是在1.3毫米的無線電波長處拍攝的。在這個波長下，“光子環(huán)”，即事件視界周圍的發(fā)射環(huán)，內(nèi)部有黑洞的陰影，看起來很模糊，尤其是在射手座A*的情況下。這是因為來自黑洞的無線電發(fā)射被我們和物體本身之間的星際介質(zhì)中的電離氣體部分散射。這導(dǎo)致光在一個角度尺度上變得模糊，與1.3mm的EHT分辨率相當(dāng) 。在較短波長下，涂抹效果將明顯減弱。
為此，EHT首次能夠在0.87mm的較短波長下進(jìn)行VLBI 。
美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室的亞歷山大·雷蒙德在一份聲明中說：“通過EHT，我們通過檢測1.3mm波長的無線電波看到了第一批黑洞圖像，但我們看到的由黑洞引力中的光彎曲形成的亮環(huán)仍然看起來很模糊，因為我們已經(jīng)達(dá)到了圖像清晰度的絕對極限。” 。“在0.87mm處，我們的圖像將更清晰、更詳細(xì)，這反過來可能會揭示新的特性，既有之前預(yù)測的特性，也有一些可能沒有預(yù)測到的特性。”
實現(xiàn)0.87mm的VLBI并不是一件容易的事情，因此以前沒有實現(xiàn)過。其中一個困難與大氣中的水蒸氣傾向于吸收這種短波長的無線電波有關(guān)，因此EHT的所有觀測點的天氣都必須非常干燥。

參與突破性的事件視界望遠(yuǎn)鏡0.87mm短波長基線干涉測量實驗的天文臺的位置。（圖片來源：ESO/M.Kornmesser）
至于這些觀測點，這個特殊的VLBI實驗涉及智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和阿塔卡馬探路者實驗、西班牙的毫米范圍射電天文學(xué)研究所（IRAM）30米望遠(yuǎn)鏡、法國的北部擴展毫米陣列（NOEMA）、夏威夷莫納克亞山的亞毫米陣列和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡，所有這些都是EHT的觀測站。他們探測了0.87mm的眾多類星體，獲得了19微弧秒的分辨率。
19微弧秒有多?。刻煒氈換治?60度，每度由60弧分組成，每弧分又細(xì)分為60弧秒。1微弧秒是1弧秒的百萬分之一，因此19微弧秒就像能夠分辨月球表面的一個瓶蓋。這是迄今為止僅從地球表面獲得的天文圖像的最高分辨率（盡管地面和天基望遠(yuǎn)鏡的組合在過去也達(dá)到了類似的分辨率）。Raymond和他的同事們實際上認(rèn)為，當(dāng)EHT滿負(fù)荷運行時（例如，包括南極望遠(yuǎn)鏡，它沒有參與0.87mm測試），EHT的分辨率可以降低到13弧秒。

事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的我們銀河系超大質(zhì)量黑洞的圖像，波長為1.3毫米。（圖片來源：EHT Collaboration）
現(xiàn)在的目的是在拍攝射手座A*和M87超大質(zhì)量黑洞的新圖像時應(yīng)用這一突破。
亞利桑那大學(xué)的Remo Tilanus是EHT的運營經(jīng)理，他說：“正如新的檢測結(jié)果所證明的那樣，現(xiàn)在是時候推進(jìn)到0.87mm了。” 。
更高的分辨率不僅會使每個黑洞周圍的光子環(huán)圖像更加清晰，還會更精確地描繪它們的形狀和大小，從而更準(zhǔn)確地估計黑洞的自轉(zhuǎn)速率和角度。它還將使其他星系中的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)入射程，并使我們能夠更接近從類星體等活動黑洞中射出的相對論性射流的底部。這可以為黑洞的磁場如何產(chǎn)生幾乎以光速移動并延伸到數(shù)千光年深空的射流提供更多答案。

顯示1.3mm和0.87mm黑洞觀測值之間銳度差異的模擬。（圖片來源：克里斯蒂安·弗洛姆，朱利葉斯·馬西米蘭大學(xué)，維爾茨堡）
除了現(xiàn)在能夠在更短的波長下運行外，還計劃對EHT進(jìn)行重大修改，該計劃稱為“下一代EHT”，簡稱“ngEHT” 。這將為世界各地的現(xiàn)有EHT基礎(chǔ)設(shè)施增加新的望遠(yuǎn)鏡，優(yōu)化以提供最大的基線和靈敏度，并改善合作現(xiàn)有成員的探測器設(shè)施，使他們能夠同時觀測3mm至0.87mm之間的多個波長的黑洞。
總而言之，下一代EHT有望將黑洞圖像的銳度和清晰度提高10倍，甚至可能使高分辨率電影能夠顯示隨著黑洞旋轉(zhuǎn)和從周圍空間吸積更多物質(zhì)，黑洞事件視界周圍的光子環(huán)隨時間的變化。
“這些0.87mm的VLBI信號探測是突破性的，因為它們?yōu)檠芯砍筚|(zhì)量黑洞打開了一個新的觀測窗口，”德國馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所的Thomas Krichbaum在歐洲南方天文臺發(fā)表的一份聲明中說。
這項突破性的VLBI實驗的結(jié)果于8月27日發(fā)表在《天文學(xué)雜志》上。