正在阅读: 用了诺奖技术?首张黑洞照片背后的科学难题
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

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

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平主持上合组织成员国元首理事会第二十五次会议

  • 上合组织天津峰会丨非遗迎贵宾 文明共璀璨

独家策划

推荐阅读
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
工业和信息化部近日印发《关于优化业务准入促进卫星通信产业发展的指导意见》。意见明确,鼓励卫星通信在工业、农业、交通、能源、城市治理等各行业各领域创新应用。
2025-08-28 09:35
8月26日,国新办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,介绍“十四五”时期能源高质量发展成就。
2025-08-27 09:36
王蜜所在团队养蜗牛的装置和她用指甲油给蜗牛壳做的标记(首次发表,非授权禁止转载)。在中科院地球环境所,针对蜗牛壳体季节尺度研究,副所长晏宏提出的理念是,用空间换时间。
2025-08-27 09:47
8月8日至12日,第十届世界机器人大会在北京举行。”  近年来,更多养老机器人在家中、社区及养老机构落地应用,从桌面式机器人、轮式底盘型机器人到人形机器人,“人机共栖”的智慧养老图景正加速照进现实。
2025-08-27 09:45
作为海洋生物医药研发的特色方向,海洋中药尚不能满足中医药产业发展需求,其开发和利用还处于起步阶段。在产业转化环节,郑明月指出,应借鉴“算法开发—标靶确证—临床转化”范式,构建海洋天然产物专属数据库和AI工具。
2025-08-27 09:45
一项近日发表于《应用生理学、营养学与代谢》的研究发现,摄入动物蛋白质食物与更高的死亡风险无关,甚至可能降低与癌症相关的死亡率。论文第一兼通讯作者、加拿大营养策略公司负责人Yanni Papanikolaou表示,“综合这类观察数据与临床研究,很明显,动物蛋白和植物蛋白均有益于健康长寿。
2025-08-27 09:43
加载更多