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用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题

来源:光明网2019-04-16 10:16

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  北京时间 4月10日21点,事件视界望远镜(EHT)发布了人类首张黑洞照片,这是黑洞研究的重大成果,也是继2015年引力波事件之后,天文研究成果又一次占据新闻头条。如今照片已经公布,让我们来探求一下事件视界望远镜(EHT)背后的故事。

用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题

图1.组成事件视界望远镜(EHT)的八台望远镜 (Vertatschitsch+2015)

  事件视界望远镜(EHT)由8台散落多处的毫米波/亚毫米波望远镜组成(如图1),在1.3毫米波段可以实现10微角秒的空间分辨率,相当于银河系中心黑洞的施瓦西半径尺度,具有在地球上(用亚毫米波段)可以达到的最高空间分辨率的能力。

  射电综合孔径技术 诺贝尔奖级的技术

  EHT是怎样实现这极致的空间分辨率的呢?

  由于衍射效应,望远镜的空间分辨率R主要由观测波长λ和望远镜口径D决定:

用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题

  比如我国贵州的500米口径射电望远镜FAST,在21cm波长处的空间分辨率约为3角分。要想获得更高的空间分辨率,要么降低观测波长,要么增加望远镜口径。事件视界望远镜所做的就是在这两个方向同时发力,从而实现极致的空间分辨率。

  不是望远镜口径吗,而EHT是八台独立的望远镜啊,怎么解释?

  这里面涉及到一项诺贝尔奖级技术,射电综合孔径技术。1974年的诺贝尔物理学奖颁给了英国剑桥大学的马丁·赖尔和安东尼·休伊什,赖尔教授的获奖原因主要源于他对射电综合孔径技术的贡献。

用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题

  射电综合孔径技术,简单来说,天上射电源的图像与地面干涉天线的观测结果成傅里叶变化关系,不同天线的干涉结果相综合,通过傅里叶变换,可以完成对射电源的成图观测,其空间分辨率等效于口径为基线长度的单天线望远镜。基线长度B,即干涉天线间的距离,代替望远镜口径D,与观测波长λ一起成为干涉阵望远镜空间分辨率RA的决定因素。

用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题

  甚长基线干涉技术(VLBI)千里眼

  等等,射电综合孔径技术跟甚长基线干涉技术又有什么关系呢?

  甚长基线干涉技术就是在射电综合孔径技术的基础上发展出来的,甚长基线干涉中的各个天线不再直接电缆相连而是独立记录数据,这样基线长度可以不受地理限制,甚至可以实现空间轨道卫星与地面天线的干涉成图,达到极致空间分辨率(目前空间甚长基线干涉已经实现,但由于观测频率比较低,空间分辨率暂时还不如事件视界望远镜EHT)。事件视界望远镜由八台独立记录数据的毫米/亚毫米波望远镜组成,分布在南北美洲、夏威夷和南极洲,在230GHz和345GHz频率上,对银河系中心和M87的黑洞进行极高分辨率的成图观测。

用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题

图2.两台干涉天线的时延和相关处理

  不同地点的天线对准同一个观测源,电磁信号达到不同天线的时间会有差别,并由于地球自转这个时间差在不断变化,称为时间延迟和时延率(图2)。八台望远镜独立记录的数据将被带到德国/美国的相关处理中心,通过寻找最大相关幅度的方法,求出两组观测数据的时延和时延率。消除时间延迟后,两两干涉的观测数据就能开始综合成图了。

  和一般甚长基线干涉观测一样,为满足时延求解的需要,事件视界望远镜(EHT)也需要高精度、高稳定的时间信息,其中氢原子钟因稳定性高而被普遍使用,同时使用全球定位系统(GPS)来同步各个台站的时间。

  甚长基线干涉(VLBI)因记录的数据包含幅度、相位信息,且由于EHT的观测频率极高(230GHz和345GHz),采用的是4GHz带宽,数据记录率就会很高。EHT采用目前最先进的R2DBE进行高速采样,可以实现16Gbps的高数据采样率,配合使用最新一代VLBI数据记录系统Mark6进行16Gpbs的数据记录(超过5G网络的最高速度10Gpbs)。值得一提的是,我国贵州的FAST望远镜同样使用R2DBE和Mark6进行甚长基线干涉观测的数据采样和记录。在这样的数据率下,EHT一个晚上记录的数据量可以达到2PB(2000TB)。甚长基线干涉因为数据量大,一般采用携带硬盘的方法来传输数据,同样EHT也将大量硬盘携带至美国和德国的相关处理中心,进行后续的数据处理。

  甚长基线干涉中,因为干涉天线相距较远,所在的天气环境等因素都不一样,会带来相位误差,会严重影响成图结果。在20世纪70年代闭合相位技术发明之后,大气和时钟误差随机效应导致的相位误差得以消除,甚长基线干涉技术逐渐走向成熟。闭合相位要求至少有3台干涉天线,EHT包含8台毫米波/亚毫米波望远镜,包括坐落于智利的ALMA毫米波望远镜。

  事件视界望远镜(EHT)拥有极致的观测频率、基线长度和技术装置,使人类首次对银河系中心黑洞进行成图。

  作者:陈如荣,系中国科学院国家天文台助理研究员,主要研究领域为致密天体的甚长基线研究。

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