拍張黑洞照片為何這麼難？我們究竟在期待什麼？

2023-04-01 01:03:35 3

為什麼拍攝黑洞照片如此困難？我們到底在期待什麼？

天文學在線

事實是黑洞和空間是黑色的，所以很難對黑洞進行成像。儘管黑洞體積很小，但質量卻非常大。黑洞充滿了足夠天文學家觀察的物質，但對人們來說觀察它們並不容易。照片

:目前著名的微波光譜

拍攝的M87*實際照片。上圖是位於M87*星系中心的超大質量黑洞(SMB)幾乎每個星系的中心都有一個超大質量黑洞，這不是巧合。它們對於星系的形成是不可或缺的。星系的SBM幾乎是星系的死點，它的質量與其母星系(或其母恆星)的質量成正比銀河系的超大質量黑洞——人馬座A*，擁有大約410萬個太陽，已經相當大了。但是M87*有大約61億個太陽，比人馬座A*大1000多倍，即使按照超大質量黑洞的標準，人馬座A *也相當大。

人馬座A*是迄今距離地球最近的小型移動基站(僅26000光年)。當然，我們之間也有一個銀河系，我們必須從充滿各種物質的銀河系圓盤上遠眺才能看到它。M87*距離我們5400萬光年，所以在某些方面M87*是一個怪物。雖然從銀河系的角度來看，它其實並不遙遠(畢竟，你仍然可以在晚上看到銀河系)，但它確實非常遙遠。當我們生命之樹的樹枝還很小的時候，人類只是一種可愛的靈長類動物，很難歸類為靈長類動物，並且在恐龍消失後開始在地球上繁殖，M87*發出的光開始釋放，直到今天我們才收到拍攝M87*的照片。

總之，M87*比射手座大1000倍，比射手座大2000倍，但更容易成像

簡而言之，「M87」，這個令人生厭和驚訝的名字源於梅西爾(作為一個法國人，他的名字發音是「梅-Xi-葉」)當時，天文學家以彗星的名字命名(模仿哈雷彗星)而聞名，梅西耶也想參與其中。然而，事實證明，對於18世紀的望遠鏡來說，天空中有太多模糊不清的東西，不管是彗星還是其他。因此，梅西耶列出了一個他不想第二次看到的東西的清單，而這個「忽略清單」就是他仍然被人們記住的原因(順便說一句，他仍然發現了一些彗星)。M87星系就在序列號為87的「忽略名單」上。

:左圖:我們銀河系的圓盤(從星系內部看)遮住了我們周圍的一圈天空，包括銀河系的中心(人馬座A*的位置)右圖:M87是一個巨大的星系，距離我們5400萬光年，肉眼可見。然而，作為一個橢圓星系，它看起來像透鏡上的一個汙點。藍色的小尾巴是等離子體流(兩個等離子體流之一)，它從氣體圓盤中流出，落入M87*至少有5000年了。

當這個模糊的環狀氣態物質雲落入星系時，它將被加熱並電離M87*比海王星的軌道大得多，但比落入其中的物質雲小得多，所以當下落的氣體雲達到臨界值時，就會產生摩擦、壓縮和熱量。將會有一場比我們太陽系大得多的太空熱風暴。風暴中心的黑暗之處不是黑洞，而是缺乏氣體。萬有引力的大小與距離的平方成反比:距離減少一半，引力增加到4倍；距離減少到三分之一，重力增加到九倍。在牛頓萬有引力定律中，物體圍繞某一點的軌道大小沒有限制，但是在愛因斯坦(修正的)萬有引力公式中，平方反比定律只是它在低重力情況下有效性的近似(基本上，牛頓萬有引力適用於除黑洞以外的所有情況)結果表明，黑洞在最內層有一個穩定的軌道，軌道半徑是Schwartz Childre半徑的三倍(黑洞半徑的三倍)任何試圖接近軌道的物體都會盤旋在軌道上。這個甜甜圈的邊緣是最裡面的穩定軌道，氣體只能在被吸入黑洞之前發出最後的光。

M87*附近氣體的溫度基本上是相同的，但是因為黑洞是以螺旋運動的，它的一邊向我們運動，而另一邊則相反。與此同時，有一種叫做「相對論光束」的效應(通常很難注意到)，這種效應在我們運動的一側看起來更亮，高速運動的物質在其運動方向上發射更多的光(儘管從物質本身的角度來看，它仍然在所有方向上均勻地發射光)

我們幾乎可以保證在M87*周圍看到熱氣體雲，因為除了一些其他的暴力現象，黑洞還會彎曲周圍的光線。這不是黑洞獨有的。每當我們看到光穿過巨大的天體，我們就會看到「引力透鏡效應」事實上，廣義相對論最早的確認之一是，在1919年的日蝕期間，原本位於太陽後面的恆星是圍繞著太陽看的。因此，黑洞不是唯一能彎曲光束的天體，但它們確實增強了藝術性。它可以完全改變光的方向，甚至使它直接進入黑洞的軌道，而不是輕微地偏轉光。所以當你看到黑洞周圍有熱氣流時，熱氣流實際上可能位於黑洞後面。無論熱氣盤位於何處，黑洞周圍總會有氣體。

引力透鏡不僅是娛樂室的鏡子，也是混淆影像的功能。事實上，引力透鏡對我們很有幫助。暗斑的大小實際上是黑洞(最裡面的穩定軌道)的三倍，但是透鏡效應的放大效應會進一步放大它。照片

:前景中「紅點」星系的重力，LRG 3-757，將光線彎曲成一個星系，使它看起來像一個環。這種重力透鏡允許我們觀察質量如何扭曲遠處物體的圖像來分布質量，有時甚至是故意的(作為透鏡)以便更好地看到遠處的物體

我知道的一個永恆而正確的詛咒是，你從不感到驚訝，也很少被邀請參加聚會。新黑洞的照片實際上並不是一項發現，但卻是一項驚人的成就。正如我們今天所理解的，當施瓦茨·查爾德將新近發表的愛因斯坦廣義相對論方程應用於一個緻密的物質球，然後繼續推導時，黑洞首先被理論化了。現代物理學有一個既定的軌道，從基本的假設開始，建立可驗證的理論，然後應用這些理論得出結論，每個人都認為這太瘋狂了，不可能是真的。黑洞是真實的，這是一個很好的結論，每個人都認為它太瘋狂而不真實。

現在，你很難找到另一個不相信黑洞及其基本和整體性質的天文學家或物理學家。當然，他們在一些細節上仍有爭議，這並不奇怪，畢竟他們是科學家。一系列的觀察結果與黑洞的預測性質完全一致。LIGO進行的引力波探測完全符合黑洞合併產生的引力波。銀河系核心的恆星以1%的光速(對任何非粒子恆星來說都是極快的速度)繞著一個黑暗而緻密的「放射源」運行——類星體是宇宙中最明亮、最有能量的物體，它們的出現可以用落入超大質量黑洞的氣體雲來描述，但在其他方面卻是完全神秘的。

那麼，當天文學家最終獲得一個真實黑洞的直接圖像時，他們會有什麼期待呢？基本上，我們現在看到的是用於預測真實圖像的模擬結果的預期精度。照片

:由黑洞模擬器生成的(非模糊)圖像

更好，如果該模擬照片與實際圖像完全不同，例如，實際照片是笑臉圖案或類似的圖案。只有當我們在預測中犯了錯誤，或者對結果感到驚訝，或者兩者都有，科學才能進步。這幅新圖片的作用是為廣義相對論的驗證增加一層保證，這的確是一件好事。光有一個總是正確的傑出理論是不夠的。你還必須給它任何犯錯誤的新機會。

從理論上講，我們並沒有獲得多少收益。就像經驗物理學中的「吃你的蔬菜」我們是通過努力工作獲得的。我們以前沒有這樣做過，因為太難了。M87*距離地球約5400萬光年，直徑約380億公裡，使得M87*相對於地球的張角為42微秒。你知道，一個圓有360度，1度有60弧分，1弧分有60弧秒，100萬微秒。42微秒相當於500公裡外一根頭髮的張角

因此產生了一個問題:這實在太小了對於有衍射極限的望遠鏡，它的解析度有一個極限值，這與光的波動有關。你的望遠鏡越完美，就越接近這個衍射極限，但它再好不過了。如果望遠鏡的主透鏡或反射鏡的直徑是D，所用光的波長是w，那麼你能分辨的最小角度(弧度)大約是1.22瓦/天，所以波長越短，望遠鏡越大，圖像越清晰。現在著名的黑洞圖像是用波長為1.3毫米的微波光拍攝的，這意味著得到一個帶有暗中心的模糊圓(「嘿，這是一個黑洞！」)而不是模糊的汙點(「嘿，這可能是黑洞的氣體雲！」)，你需要一個直徑數千公裡的望遠鏡。問題來了:這真的太大了

而地球的直徑只有幾千公裡，所以我們只需要一種方法來利用整個地球的直徑。事件地平線望遠鏡(EHT)——一個由望遠鏡組成的國際合作項目，其指向M87*的有效孔徑大約是地球的大小。傳統的望遠鏡通過收集光線並將其聚焦在探測器上來形成圖像來自遠處光源的光波吹向我們的臉，被反射器反射到達焦點。如果反射器是一個標準拋物面，這個步驟是根據幾何原理自動完成的，因為每條平行光線需要相同的時間聚焦(這是拋物面的一個有利特徵)照片

:為了發揮作用，望遠鏡會反射光線。如果入射光束來自正確的方向，它們將同時到達探測器。左圖:在傳統望遠鏡中，鏡子的形狀使其能夠自動執行這一功能。右圖:視界望遠鏡必須強制重組光波，這需要一臺大型計算機才能達到極高的精度。

如果鏡子的一部分不見了，也沒關係光波仍然可以同時到達焦點，但是其中一些只是通過而不能被探測到。所以事實上，EHT不需要覆蓋地球的大小，它只需要把鏡子的每一部分都覆蓋到地球上。然而，仍然存在一個巨大的問題:從M87*發出的光從未聚焦在同一個焦點上，但是每個單個望遠鏡陣列接收到的信息被記錄下來(通常通過將硬碟裝載到望遠鏡上來收集數據)，然後使用超長基線幹涉測量技術進行處理「超長基線」是指單個望遠鏡之間的非常長的距離，「幹涉測量」是指對收集到的光波進行幹涉處理

的幹涉處理非常重要，僅僅得到每個望遠鏡看到的是不夠的。使光波的波前同時到達探測器是望遠鏡有效工作的一個非常重要的部分。畢竟，目標物體以外的物體發出的光也會被探測器探測到，但是到達探測器的時間是不同的。不同到達時間的光線會相互幹涉和抵消。因此，兩個主要的挑戰是:數據整合和準確知道何時到達地球的目標光束將被每個不同的望遠鏡探測到。你需要能夠區分當前波前和下一個波前。如果兩個波陣面相距1.3毫米，並以光速傳播，那麼你需要精確區分兩個波陣面相距4皮秒(4萬億分之一)

因此，每個望遠鏡都需要一個全新的原子鐘和超快照相機。接下來，您將理解為什麼數據集成看起來更像貨物運輸而不是電子郵件附件。每秒鐘數萬億次的快照不僅是為了捕捉波前，也是為了在處理數據時消失。此外，如果你想知道(通常在事情發生後)，每個探測器在轉動時移動了任何一毫米，並且地球的旋轉將產生巨大的影響。另外，這張照片真的很好。從地球上看，人馬座A*(非常近)和M87*(非常大)這兩個最大的黑洞可以用類似於EHT的望遠鏡成像但是，如果說在整個技術發展史上有一個標誌的話，那就是第一次幾乎不可能實現，而第一千次幾乎是不可思議和容易的。我們很快就能拍出更好的M87*和射手座A*的照片一旦我們在整個地月空間(月球軌道上的空間)建立了一系列的太空望遠鏡，我們將能夠在每個鄰近星系的核心獲得超大質量黑洞的照片，這就是科學真正開始的時候。自1980年以來，低成本地球軌道已經下降了99%。總的來說，太空飛行的價格將在未來幾十年內大幅下降。因此，建立一組大型空間望遠鏡並不是一個大問題。

M87*的模糊圖像是全新天文學研究的第一步，它將很快成為超乎你想像的常規研究。

參考文獻

1。維基百科全書

2。天文術語

翻譯:雷射幹涉儀

作者:Physique

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