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

  • 国家图书馆:周末来读书

  • 西安铁路工业遗存变身市民乐园

独家策划

推荐阅读
成都大熊猫繁育研究基地科普团队成立于2000年,旨在面向公众传播以大熊猫为代表的生物多样性保护理念。
2025-02-14 10:26
食品添加剂是指为改善食品品质和色、香、味,以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质。
2025-02-14 10:24
《自然》杂志13日报道我国发现迄今唯一确切的侏罗纪鸟类——政和八闽鸟。
2025-02-14 10:23
在当前的极寒天气下,机器狗更灵活、可携带更多仪器,巡检质效显著提高,让赛事电力保供更安心。
2025-02-14 10:22
国家税务总局发布的最新数据显示,2024年,现行支持科技创新和制造业发展的主要政策减税降费及退税达26293亿元,助力我国新质生产力加速培育、制造业高质量发展。
2025-02-14 10:11
独脚金是寄生在高粱上的一种植物,能导致高粱减产甚至死亡。近日,我国科学家首次从高粱中发现两个关键基因,敲除后,高粱对独脚金的抗性显著提高。
2025-02-14 10:04
基于AI大模型及领域数据资源,构建基于PC端和手机端应用的科特派数字人“小科”,为用户提供随时在线、多终端访问、7×24小时全天候资源对接,全方位服务于北京城市科技创新与管理。
2025-02-13 09:36
新时代以来,我国以更高站位、更宽视野、更大力度来谋划和推进新征程生态环境保护工作,全力推动生态环境根本好转。
2025-02-13 03:40
新年伊始,DeepSeek成为“热词”,其在各领域的应用也引发思考和讨论。在科研领域,人工智能驱动科学研究的新科研范式随之到来,对构建开放创新生态提出了更急迫的要求。
2025-02-13 03:50
从个性化的珠宝饰品到复杂的航空零部件,3D打印展现出了巨大的创造力和应用潜力。然而,科技的探索永无止境,一种比3D打印更具突破性的技术——4D打印,正悄然兴起。
2025-02-13 03:50
当前,我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,对生态环境的要求也越来越高。良好的生态环境不仅是自然财富、生态财富,更是经济财富、社会财富。
2025-02-13 03:40
中国人工智能发展与安全研究网络主办,上海期智研究院、清华大学人工智能国际治理研究院承办
2025-02-12 19:16
2025年,空天院合成孔径雷达科研团队将继续研制8颗“女娲星座”合成孔径雷达卫星,届时“女娲星座”20颗在轨雷达卫星将实现全球组网运行,对地观测能力将大幅提升。
2025-02-12 10:07
这并不是一辆普通的复古电车,而是一部使用了16K全息数字技术、AI技术与四轴动感震动系统的数字电车。
2025-02-12 10:06
科学家们发现,水波涉及复杂的流体力学效应,能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。
2025-02-12 09:59
通过打造与自然和谐共生的生态经济圈,让生态保护和可持续发展得以兼顾,天目山保护区的实践,吸引了越来越多的关注,也为全球生物多样性保护提供了可借鉴的路径。
2025-02-12 09:57
春节期间,全国科技馆以“科技温暖中国年”为主题,为公众献上一系列融知识性、趣味性和人文关怀于一体的科普惠民活动。
2025-02-12 09:53
2月6日晚,“共和国勋章”获得者、我国第一代核潜艇工程总设计师黄旭华院士因病在武汉逝世,享年99岁。
2025-02-11 14:55
气动外形优化是航空设计中的核心技术,可以提升燃油效率、降低阻力,提高飞行器性能。该几何引擎无需庞大的数据集或繁琐的超参数调整,大幅降低了开展气动优化的复杂度和成本。
2025-02-11 09:43
最近,原子能院自主研发的两步法650毫米直径冷坩埚玻璃固化工程样机,完成90天连续运行试验,收获约52吨玻璃固化体,高放射性废物(以下简称“高放废物”)可被“封印”其中。
2025-02-11 09:43
加载更多