黑洞照片怎么拍的 今晚首张黑洞照片将出炉
时间:2019-04-10 22:45:42 来源:今日头条
原标题：黑洞照片怎么拍的 今晚首张黑洞照片将出炉
事件视界望远镜（地平线实录望远镜）将成为有史以来有着最高分辨率的望远镜。
要了解它是如何运作的，可参考以下一些背景知识。该望远镜的分辨率是由θ=1.22λ/D所给出，其中θ是 该望远镜可用来区分的最小角度，而λ是是波长，D则是望远镜的直径。
插图示意的是M87中心的超大质量黑洞及其周遭吸积盘。
目前，我们需要是使得θ尽可能地更小一些，这样我们便可解决人马座A*的黑洞拍摄问题。（或者M87的黑洞，那也是EHT的目标）。
显然这也意味着要让λ变小，或者让D变大。通过连接全球各地的多个望远镜，EHT（事件视界望远镜）将基本上使D与地球一样大。
艺术家笔下黑洞的概念图。周围环绕黑洞的盘状物质即为吸积盘、上方条状物为喷流。该图未考虑黑洞自身造成的重力透镜效应对影像的影响。
然问题变成了：你要使λ多小才合适？
这纯粹就是一个技术问题—要到达这些遥远的地方的信号，它们必须要相互关联。同时，这需要非常稳定，依靠时间同步接收器，确保它们之间可快速连接。
黑洞的模拟图片，由电脑合成制作，非直接拍摄
在EHT之前，这只能在厘米范围之内的波长（无线电波）下进行。理想的情况下，我们该在光学波长（纳米波长）下进行此项操作，这样我们才能在明面上拍摄照片，截至目前，我们在该项技术上还远远不够。而EHT（事件视界望远镜）的技术则至少使得λ 推至1.3毫米，较之以前这是一个数量级的推进。
这可使EHT（事件视界望远镜）降低至几十弧秒。而这个人马座A*黑洞的施瓦氏半径距离地球约为10弧秒。所以这意味着EHT（事件视界望远镜）将能够拍摄人马座A*周围的吸盘，而不是黑洞本身的照片，但这肯定比我们以前所做的更接近了。
核光谱望远镜阵列用高能X射线捕捉到了银河系中心的超大质量黑洞的第一张聚焦照片
1. 射电天文学是如何运作？
无线电波仅仅只是一种长波长的光，而它需要与我们通常认为的光不同的装置捕取。也就是说，这种望远镜基本上是——天线。
这种望远镜的其中一种是极长基线阵列。
望远镜可获得的分辨率会受到光圈直径和观测到的波长的限制。无线电波的波长太长，因此无法获得良好的分辨率，但是您可以通过孔径合成技术来弥补这点不足。
当你制作一幅图像时，基本上你所做的正是对视界的博里叶变换*进行采样（可想象的是这就像是当你通过一个洞向一个屏幕发送光线时获得的衍生图像）。
对于普通光线，你可使用一堆紧凑的像素就轻松完成此项操作，但这并不适用于无线电波。相反，你需要创建一组天线阵列，每一组天线（称为“基线”）将采样天空的不同部分。他们是通过使用到达每组天线的波之间的干扰来测量相位来实现这一点的…因此，对于此项技术，有个术语叫“干扰测量”。
对于单个基线，它检测到的无线电波在天空中的合成投影看起来就像一个简单的正弧曲线。但是如果你采用许多组不同长度的基线，它们便会相互加成而产生实际图像的衍生图像。
你最终获得的图像就如你拥有一个最长基线的巨型望远镜（所拍摄的图像）。
通过地球的旋转使得望远镜相对遥远的恒星在移动，便可进一步改善采样：
地球旋转时EHT（事件视界望远镜）采用了射电望远镜的轨迹，以及它们采用的傅里叶变换。
事件视界望远镜所采用的特殊技术被称之为“超长基线干涉测量法”（VLBI），因为它涉及到全球范围内望远镜的配对。这种技术使其可获得比光学望远镜更高的分辨率…使用的是厚实的无线电波。实在太棒了！！
2. 我们为什么要使用无线电？
我们对人马座A*的观察完全被螺旋臂和中心之间厚厚的尘埃带所阻挡。只有非常长的波长（红外线和更长波长的）和非常短的波长（X射线和更短波长的）可以穿透这些尘埃，X射线和伽马射线更倾向于穿透一切物质因为很难聚焦，而红外线望远镜的分辨率却与全球干涉仪的分辨率无法匹配。
人马座（中心）的软X射线图像和最近爆炸的两个光回波（带圆圈）
3. 我们如何构建图像？
基本上，一旦你对傅里叶变换进行采样，你需要逆变换以获得天空强度的分布。这需通过软件来完成，也就是所谓的反褶积。基本上，在你对任何东西求逆转之前，你需要去除所有已经混合到你想要的信号中（“卷积”）的外部信号源。
与简单的光学成像相比，实际的过程极其耗时，因为需要大量的校准才可以在所有物体上获得合适的相位（根据经验，有时需要数月才能获得实际图像…）
所以基本上，当EHT（事件视界望远镜）的工作人员完成他们的数据时，先别太高兴。他们还需要一段时间才能真正有所收获！
*A傅里叶变换是一种将继续时间信号转换成一组频率的数学方法。在这种情况下，我们正试图将无线电信号之间的延迟转变成为天空中的一组角频率。
可以能是作者的原因，有一项重要的信息没提及，在此我来补充
阅读拓展：EHT想要得到最清晰的黑洞照片，那必须让所有的单个望远镜同步工作，而EHT的望远镜遍布世界各地，且有一个在南极，他们是如何做到同步工作的呢？用原子钟对各个望远镜进行较准就可以了。原子钟的精确度非常高，每过几亿年才误差一秒。所以，就如果高的时间精确度下就可以使各个望远镜做到同步工作了。
图片来源：
1. NRAO图片库
2.图3.42来自NRAO的射电天文学基础课程
3.图.2 来自Ricarte, A. 和Dexter, J. 2015, MNRAS, 446, 1973.
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