事件视界望远镜

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May 19, 2022

事件视界望远镜(EHT)是一个大型望远镜阵列,由全球射电望远镜网络组成。 EHT 项目结合了来自地球周围几个超长基线干涉测量 (VLBI) 站的数据,这些站形成了一个组合阵列,其角分辨率足以观察超大质量黑洞事件视界大小的物体。该项目的观测目标包括从地球观测到的角直径最大的两个黑洞:位于超巨椭圆星系Messier 87(M87)中心的黑洞和位于银河系中心的人马座A*(Sgr A*)。银河系。事件视界望远镜项目是经过长期理论和技术发展后于2009年启动的国际合作项目。在理论方面,对光子轨道的研究和对黑洞外观的首次模拟进展到对银河系中心黑洞 Sgr A* VLBI 成像的预测。射电观测的技术进步从首次探测到人马座 A*,到波长逐渐缩短的 VLBI,最终导致在人马座 A* 和 M87 中探测到地平线尺度结构。该合作现在由 300 多名成员、60 多个机构组成,在 20 多个国家和地区开展工作。 EHT 合作于 2019 年 4 月 10 日以系列形式发布了第一张位于梅西耶 87 星系中心的黑洞图像六篇科学论文。该阵列在 1.3 毫米的波长和 25 微角秒的理论衍射极限分辨率下进行了这一观察。 2021 年 3 月,该合作组织提出,第一次,基于极化的黑洞图像可能有助于更好地揭示产生类星体的力量。未来的计划包括通过增加新的望远镜和进行更短波长的观测来提高阵列的分辨率。

望远镜阵列

EHT由世界各地的许多射电天文台或射电望远镜设施组成,共同生产出高灵敏度、高角分辨率的望远镜。通过超长基线干涉测量(VLBI)技术,许多相隔数百或数千公里的独立无线电天线可以充当相控阵,一个可以电子指向的虚拟望远镜,有效孔径为整个星球,大大提高了它的角分辨率。这些努力包括开发和部署亚毫米双极化接收器、高度稳定的频率标准以实现 230-450 GHz 的超长基线干涉测量、更高带宽的 VLBI 后端和记录器,以及新亚毫米 VLBI 站点的调试。自 2006 年首次捕获数据以来,EHT 阵列每年都在其全球射电望远镜网络中增加更多天文台。银河系超大质量黑洞人马座 A* 的第一张图像预计将根据 2017 年 4 月拍摄的数据生成,但由于在南极冬季(4 月至 10 月)期间没有进出南极的航班,因此完整的数据集直到 2017 年 12 月南极望远镜的数据到达时才能处理。硬盘上收集的数据由商业货运飞机(所谓的运动鞋网)从各种望远镜运送到麻省理工学院海斯塔克天文台和马克斯普朗克射电天文研究所,在那里数据在由大约 800 个 CPU 组成的网格计算机上进行交叉相关和分析,所有 CPU 都通过 40 Gbit/s 网络连接。由于 COVID-19 大流行、天气模式和天体力学,2020 年的观测活动被推迟到 2021 年 3 月。

梅西耶 87*

Event Horizo​​n Telescope Collaboration 于 2019 年 4 月 10 日在全球同时举行的六场新闻发布会上宣布了其首个结果。该公告展示了第一张黑洞的直接图像,该图像显示了位于梅西耶 87 中心的超大质量黑洞,命名为 M87*。科学结果发表在《天体物理学杂志快报》上的六篇系列论文中。在6σ区域观察到顺时针旋转的黑洞。该图像为阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论在极端条件下提供了检验。此前的研究已经通过观察黑洞边缘附近恒星和气体云的运动来检验广义相对论。然而,黑洞的图像使观测更接近事件视界。相对论预测了一个类似阴影的区域,由重力弯曲和捕获光引起,与观察到的图像相匹配。发表的论文指出:“总体而言,观察到的图像与广义相对论预测的旋转克尔黑洞阴影的预期一致。” EHT 董事会成员 Paul TP Ho 说:“一旦我们确定我们已经对阴影进行了成像,我们就可以将我们的观察结果与广泛的计算机模型进行比较,这些模型包括扭曲空间、过热物质和强磁场的物理学。许多特征观察到的图像与我们的理论理解非常吻合。”该图像还提供了对 M87* 质量和直径的新测量。 EHT 测量黑洞的质量为 6.5±0。70 亿个太阳质量,并测量其事件视界的直径约为 400 亿公里(270 AU;0.0013 pc;0.0042 ly),大约比它在图像中心看到的投射的阴影小 2.5 倍。先前对 M87 的观测表明,大型喷流相对于观察者的视线倾斜 17°,并以 -72° 的位置角定向在天空平面上。由于接近漏斗壁射流发射的相对论光束,环南部的亮度增强,EHT得出结论,从地球上看,锚定射流的黑洞顺时针旋转。 EHT 模拟允许相对于黑洞的顺行和逆行内盘旋转,同时通过 Blandford-Znajek 过程使用 1042 erg/s 的保守最小喷射功率排除零黑洞自旋。 从射电望远镜阵列的数据生成图像需要大量数学工作。四个独立的团队创建了图像来评估结果的可靠性。这些方法包括由 Jan Högbom 发明的射电天文学中用于图像重建的成熟算法,称为 CLEAN,以及用于天文学的自校准图像处理方法,例如由 Katherine Bouman 等人创建的 CHIRP 算法。最终使用的算法是正则化最大似然 (RML) 算法和 CLEAN 算法。 2020 年 3 月,天文学家提出了一种改进的方法,可以在第一张黑洞图像中看到更多的环。 2021年3月,一张新照片曝光,显示 M87 黑洞在偏振光下的样子。这是天文学家第一次能够在如此靠近黑洞边缘的地方测量极化。照片上的线条标志着极化方向,这与黑洞阴影周围的磁场有关。

3C 279

2020 年 4 月,EHT 发布了它在 2017 年 4 月观测到的原型耀变体 3C 279 的首批 20 微弧秒分辨率图像。这些图像是从 2017 年 4 月的 4 个晚上的观测中生成的,揭示了喷流的明亮成分,其在观察者平面上的投影表现出明显的超光速运动,速度高达 20 c。来自相对论发射器(例如正在接近的喷流)的这种明显的超光速运动可以通过起源于更靠近观察者的发射(沿喷流的下游)赶上来自观察者(在喷流底部)的发射来解释,因为喷流以接近速度传播与视线成小角度的光线。

半人马座A

2021 年 7 月,位于半人马座 A 中心的黑洞产生的喷流的分辨率图像被发布。黑洞的质量约为 5.5x10^7 M☉,不足以像梅西耶 M87* 那样观察它的环,但它的喷流甚至延伸到它的宿主星系之外,同时保持高度准直的光束,这是一个研究重点. 还观察到射流的边缘增亮,这将允许约束无法再现效果的粒子加速模型。图像比之前的观察清晰 16 倍,并使用了 1.3 毫米的波长。

合作

EHT 合作由 13 个利益相关者机构组成: 中央研究院天文和天体物理学研究所 亚利桑那大学 芝加哥大学 东亚天文台 歌德大学 法兰克福史密森天体物理天文台(哈佛-史密森天体物理中心的一部分) 射电天文研究所(IRAM,本身是法国 CNRS、德国马克斯普朗克学会和西班牙国家地理研究所之间的合作)、大型毫米波望远镜阿方索塞拉诺马克斯普朗克射电天文研究所麻省理工学院 Haystack 天文台日本国家天文台周边理论物理研究所 Radboud隶属于 EHT 的大学机构包括:阿尔托大学 波士顿大学 布兰迪斯大学 加州理工学院 加拿大高级研究所 加拿大理论天体物理学研究所 查尔姆斯理工大学 Onsala 空间天文台 中国科学院国家科学与技术委员会 康奈尔大学,天体物理学和行星科学中心 欧洲研究委员会Google Research 高等研究大学(SOKENDAI)统计科学系/天文科学系广岛大学广岛天体物理科学中心华中科技大学物理学院统计数学研究所安达卢西亚天文研究所,Consejo Superior de Investigaciones Científicas Instituto Geográfico Nacional Instituto Nacional de Astrofísica,Óptica y Electrónica Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) – Istituto di Radioastronomia, 意大利 ALMA 区域中心 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli 欧洲 VLBI 联合研究所 Kogakuin University of Technology Engineering 韩国天文学和空间科学研究所 Leiden University, Leiden洛斯阿拉莫斯国家实验室 南京大学马克斯普朗克物理研究所,现代天文学与天体物理学重点实验室/天文与空间科学学院 国家光学天文台 国家射电天文台 国立中山大学,物理系 国立台湾大学,物理系荷兰科学研究组织北京大学天文系,物理学院 / Kavli 天文与天体物理研究所 罗德大学、射电天文技术中心、物理与电子学系 首尔国立大学、物理与天文学系 东北大学、天文学研究所 / 康塞普西翁大学跨学科前沿研究所, 天文学系 墨西哥国立自治大学,天文学研究所 / 瓦伦西亚无线电天文学和天文学研究所,天文系和天文系 / 天文台天文大学实验室,阿姆斯特丹大学阿姆斯特丹大学实验室,阿姆斯特丹大学实验室亚利桑那大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣巴巴拉分校、中国科学院、天文与空间科学学院伊利诺伊大学天文系/物理系麻省大学阿默斯特分校天文系比勒陀利亚大学物理系中国科技大学天文系圣大. 圣彼得堡,东京大学天文研究所,研究生院,天文学系 / Kavli 宇宙物理与数学研究所 多伦多大学,邓拉普天文和天体物理研究所 滑铁卢大学,滑铁卢天体物理中心 / 物理系和天文 延世大学天文系天文系/物理系麻省大学阿默斯特分校天文系比勒陀利亚大学物理系中国科技大学天文系圣彼得堡大学天文学院东京大学研究生理学院天文系 / Kavli 宇宙物理与数学研究所 多伦多大学,邓拉普天文和天体物理研究所 滑铁卢大学,滑铁卢天体物理中心 / 物理和天文系 延世大学,天文系天文系/物理系麻省大学阿默斯特分校天文系比勒陀利亚大学物理系中国科技大学天文系圣彼得堡大学天文学院东京大学研究生理学院天文系 / Kavli 宇宙物理与数学研究所 多伦多大学,邓拉普天文和天体物理研究所 滑铁卢大学,滑铁卢天体物理中心 / 物理和天文系 延世大学,天文系圣彼得堡,东京大学,研究生院,天文学系 / Kavli 宇宙物理与数学研究所 多伦多大学,邓拉普天文与天体物理研究所 滑铁卢大学,滑铁卢天体物理中心 / 物理与天文系延世大学天文系圣彼得堡,东京大学,研究生院,天文学系 / Kavli 宇宙物理与数学研究所 多伦多大学,邓拉普天文与天体物理研究所 滑铁卢大学,滑铁卢天体物理中心 / 物理与天文系延世大学天文系

参考

外部链接

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