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观测|给黑洞“拍照”的科技含量

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观测|给黑洞“拍照”的科技含量
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由射电望远镜观测到的M87黑洞新图像 。
2019年 ， 中国科学院上海天文台和国际合作伙伴共同发布M87黑洞“照片” 。 这是人类历史上首幅黑洞图像 。
近日 ， 他们再次公布M87黑洞新图像 。 与之前的图像相比 ， 新图像显示出更多细节 ， 更为清晰 。
给黑洞“拍照”的“相机” ， 并非我们一般概念中的望远镜 ， 而是接收无线电信号的射电望远镜 。
光和无线电本质上都可视为电磁波 ， 两者区别主要在于波长不同 。 人肉眼可感知的光波长度在380纳米～750纳米间 ， 我们也将这一范围内的光称为可见光 。 而天文学家所关注的无线电波段 ， 波长在1毫米到几十米之间 。 这些无线电信号在天文学里有一个特别的名字——“射电信号” 。
射电天文学的诞生 ， 源于一次偶然 。 1932年 ， 美国贝尔实验室工程师扬斯基在进行短波通信干扰源研究时 ， 发现一个来源奇特的信号源 。 经过反复试验和分析后 ， 扬斯基认定 ， 该信号源并非地球上的发射装置 ， 而是宇宙中的遥远天体 。 自此 ， 天文学家才认识到天体射电信号的存在 ， 并在这一波段上加以研究 。
大部分射电望远镜的外形 ， 和我们日常接收卫星信号的“大锅”天线相似 ， 主体是一个抛物面形的反射面 。 无线电信号通过反射后 ， 汇聚在望远镜焦点的接收装置上 ， 再输入到望远镜后端的分析记录仪器中作进一步分析 。 射电望远镜一般都装配有能调整指向的机械装置 ， 以驱动射电望远镜指向不同天体 ， 还可跟踪天体 ， 保持持续观测 。
在天文观测中 ， 望远镜对物体细节的分辨能力 ， 与波长和望远镜口径相关 。 由于射电信号波长比可见光信号波长高出不少 ， 因此射电望远镜的口径也要相应扩大 ， 才能保证分辨能力不降低 。 同时 ， 波长增加后 ， 对望远镜镜面精度的要求会随之降低 ， 也为制造更大口径望远镜提供了可能 。 目前 ， 最大的可动射电望远镜口径已达110米 ， 比光学望远镜口径大不少 。
有一类特殊的射电望远镜 ， 依托天然低洼地形修建 ， 口径可做得更大 。 美国于上世纪60年代在波多黎各修建的阿雷西博射电望远镜 ， 口径达365米 ， 一度是世界上最大的射电望远镜 。 在我国的500米口径射电望远镜FAST建成并投入使用后 ， “世界之最”已属FAST 。
特别值得一提的是 ， 分布于不同位置的射电望远镜 ， 还可进行联测 ， 形成一个等效口径更大的望远镜 ， 能进一步提高观测的分辨率 。 M87黑洞“照片” ， 就是通过全世界不同地区的望远镜联测得到的 。 此时望远镜的等效口径 ， 与地球直径大小相当 。
既然射电望远镜接收的是我们肉眼看不到的信号 ， 那为何又能拍出“照片”呢？实际上 ， 射电望远镜的“杰作”体现的是信号强弱起伏 。 在对信号进行可视化处理时 ， 信号更强的地方给予更亮的视觉效果 ， 用美观的颜色进行着色后 ， 就变成了直观照片 。
【观测|给黑洞“拍照”的科技含量】作者：李会超

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