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在科学领域 ， 没有什么时刻比一个长期存在的理论预测即将迎来第一次观测或实验结果更令人兴奋的了 。 本世纪初 ， 大型强子对撞机揭示了希格斯玻色子的存在 ， 这是标准模型中最后一个未被发现的基本粒子 。 几年前 ， LIGO合作直接探测到了引力波 ， 证实了长期以来爱因斯坦广义相对论的预测 。
【天文|视界望远镜告诉了我们6个需要面对的重要问题】
视界望远镜已经发布一项备受期待的公告 ， 预计将发布第一张黑洞视界的图像 。 在21世纪10年代初 ， 这样的观测在技术上是不可能的 。 然而现在我们不仅将看到黑洞的实际样子 ， 而且还将测试空间、时间和重力的一些基本属性 。
如果你想拍下宇宙中的任何一个物体 ， 你必须解决以下两个问题:
你必须收集足够的光线才能看到你的目标 ， 并在仪器的背景噪音和目标附近的其他物体的背景噪音下显示出它的细节 。
你需要足够的分辨率(或分辨能力)来揭示你所观察的物体的结构 ， 否则仅仅一个像素就能限制你所有的数据 。
因此 ， 如果你想拍下黑洞的视界 ， 你不但需要收集足够的光 ， 使黑洞周围的辐射在其他环境中突出来 ， 还需要探测比视界本身的直径更窄的角度尺度 。
到目前为止 ， 2018年早些时候 ， 两个可能的理论模型都可以成功地符合视界望远镜的数据 。 两者都显示了一个偏离中心的、不对称的视界 ， 它比史瓦西半径更大 ， 与爱因斯坦广义相对论的预测一致 。 完整的图像尚未向公众公布 ， 但预计将在2019年的几天内公布 。 (R.-S 。 LU等 ， APJ 859, 1)
要做到这两点 ， 我们唯一能做的就是用一个巨大的超灵敏的射电望远镜阵列来观察从地球上可以看到的最大的黑洞 。 你的黑洞质量越大 ， 它的视界的直径就会越大 ， 但它会根据它的距离而显得更小 。 这意味着最大的黑洞将是位于银河系中心的超大质量的人马座A* ， 而第二大黑洞将是位于M87星系中心的超大质量黑洞 ， 距离银河系大约6千万光年 。
而单碟射电望远镜也许能够探测到其中任何一个的辐射发射 。 虽然它们有足够的聚光能力——但它们无法解决视界问题 。 但利用望远镜阵列同时观测目标可以解决这个问题
从地球的一个半球的不同望远镜的视角 ， 有助于提高视界望远镜的成像能力 。 从2011年到2017年(尤其是2017年)的数据应该能让我们现在构建出人马座A*的图像 ， 也可以构造M87中心的黑洞的图像 。 (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN)
黑洞周围应该是正在被缓慢吞噬的物质 。 这些物质将散布在黑洞的外部 ， 旋转 ， 加热 ， 并在坠入时发射辐射 。 这种辐射应该来自光谱中的无线电部分 ， 并且可以通过足够灵敏的望远镜阵列观测到 。 Event Horizon Telescope (EHT)正是我们所需要的无线电阵列——由于南美的ALMA的加入 ， 它取得了最惊人的进展——不仅可以收集无线电信息 ， 还可以获得超高的分辨率 。 EHT由几十个单独的碟形体组成 ， 这些碟形体具有足够的集光能力来揭示黑洞周围的辐射 ， 碟形体之间的距离提供了必要的分辨率来成像黑洞的视界 。
阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列 ， 拍摄了我们头顶的麦哲伦星云 。 作为ALMA的一部分 ， 大量紧密相连的碟有助于创建许多最详细的区域图像 ， 而少量距离较远的碟则有助于在最明亮的位置获取细节 。 ALMA加入到事件视界望远镜中使构建事件视界图像成为可能 。 (ESO/C. MALIN)
我们以前用过这种技术 ， 长基线干涉测量法 ， 来揭示即使是巨大的单碟望远镜也看不见的细节 。 只要你试图观察的特征足够明亮并且在你使用的同时在进行观察的望远镜中显现出来 ， 你就可以获得对应于望远镜之间距离的成像分辨率 ， 而不是单个望远镜本身的直径 。
木星的卫星木卫一及其喷发的火山洛基和贝利被木卫二所掩盖 ， 在这张红外图像中是看不见的 。 GMT将提供显著增强的分辨率和成像 。 (LBTO)
最引人注目的是 ， 迄今为止 ， 望远镜阵列已经被用来拍摄木星的卫星伊奥表面的火山喷发 ， 即使是在伊奥落入另一颗木星卫星的阴影时 。
EHT使用完全相同的概念来探测来自黑洞周围的辐射 ， 利用地球的最大的角直径 。 以下是我们准备在第一张图片发布时需要了解的6件事 。
在这里模拟的银河系中心的黑洞 ， 是从地球的角度所看到的最大的黑洞 。 视界望远镜将于2019年4月10日公布黑洞中心视界的第一张图像 ， 而M87中心的视界 ， 第二大黑洞 ， 也可以通过这项技术观测到 。 白色的圆代表了黑洞的史瓦西半径 ， 而黑暗区域由于其周围轨道的不稳定性应该是没有发射的 。 (UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSIT?T HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER)
黑洞的大小是否符合广义相对论的预测?根据爱因斯坦的理论,根据测量到的银河系中心黑洞的引力质量 ， 事件视界本身的直径应为11微弧秒（μas） ， 但是在37μas以内应该不会有辐射 ， 因为在那个角直径之内的物质 ， 会迅速地螺旋状地朝向奇点 。 在分辨率为15μas的情况下 ， EHT应该能够看到地平线 ， 并测量其大小是否与我们的预测相符 。 这将是对广义相对论的一次极好的测试 。
吸积盘的方向 ， 无论是正面的(左边两个面板)还是侧面的(右边两个面板) ， 都可以极大地改变黑洞在我们看来的样子 。 (‘TOWARD THE EVENT HORIZON?—?THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER’, CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))
2）吸积盘是与黑洞、宿主星系对齐 ， 还是随机排列?我们之前从未观测过吸积盘 ， 事实上 ， 关于黑洞周围物质的方向 ， 我们唯一能找到的迹象来自于以下情况:
我们可以从黑洞中探测到一种喷射 ， 或者是周围区域的辐射 。 但这些观察结果都不能代替直接的测量 。 当这些图像出来时 ， EHT应该能够告诉我们吸积盘是在侧面 ， 正面 ， 还是在任何其他方向 。 模拟事件视界望远镜表明一些可能的黑洞事件视界的轮廓信号 。
(HIGH-ANGULAR-RESOLUTION AND HIGH-SENSITIVITY SCIENCE ENABLED BY BEAMFORMED ALMA, V. FISH ET AL., ARXIV:1309.3519)
黑洞的视界是像预测的那样是圆形的 ， 还是有不同的形状?尽管所有真实的物理黑洞都有一定程度的自旋 ， 但据预测 ， 视界的形状与完美球体的形状难以区分 。 但是其他的形状是可能的 。 有些物体在旋转时会沿着赤道凸起 ， 形成一种被称为扁球的形状 ， 比如地球 。 另一些则沿着它们的旋转轴爬行 ， 形成一个类似足球的形状 ， 被称为长椭球体 。 如果广义相对论是正确的 ， 那么一个球体就是我们所预期的 ， 但是没有什么能代替我们自己进行批判性的观察 。 4月10日图片出来后 ， 我们应该会有答案 。
在广义相对论中进行了五种不同的模拟 ， 使用了黑洞吸积盘的磁铃动力学模型 ， 以及无线电信号的结果 。 请注意所有预期结果中事件视界的清晰特征 ， 但也要注意它们根据湍流、磁场强度等细节呈现的不同 。 (GRMHD SIMULATIONS OF VISIBILITY AMPLITUDE VARIABILITY FOR EVENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A*, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV:1601.06799)
黑洞为什么会耀斑?当黑洞处于非燃光状态时 ， 我们预期会在视界周围出现一些特定的信号 。 但是 ， 当黑洞爆发时 ， 它周围的辐射会呈现出不同的特征 。 但是这些辐射会是什么样的呢?是否会有湍流的特征一直出现在磁盘上?是否会有“热点” ， 如预测的那样 ， 在燃烧阶段最明显?如果我们幸运地看到了其中的任何一个特征 ， 我们就可以通过观察黑洞周围的无线电辐射扩展来了解黑洞为什么会耀斑 。 根据这些观察 ， 我们还应该了解关于这些黑洞周围磁场强度的额外信息 。
从地球上看到的第二大黑洞 ， 位于M87星系中心 ， 在三张图中显示出来 。 尽管它有66亿个太阳的质量 ， 但它比人马座A*还要远2000多倍 。 EHT或许能或不能解决它 ， 但如果宇宙是仁慈的（我们比较幸运） ， 我们不仅能得到图像 ， 还能了解x射线发射是否能给我们提供黑洞质量的准确估计 。 (TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)
黑洞质量的x射线估计值是否偏低?目前 ， 有两种方法来推断黑洞的质量:通过测量它对围绕它运行的恒星(和其他物体)的引力效应 ， 以及通过围绕它运行的气体(x射线)发射 。 我们可以很容易地对大多数黑洞进行基于气体的测量 ， 包括银河系中心的那个黑洞 ， 它的质量大约为250万到270万太阳质量 。 但重力测量要直接得多 ， 尽管是一个更大的观测挑战 。 尽管如此 ， 我们还是在自己的星系中这样做了 ， 并推断出一个质量约为400万太阳质量的星系:大约比x射线观测所显示的质量高出50% 。 我们完全期望这将是我们测量的视界的大小 。 如果对M87的测量显示了比x射线发射所显示的更高的值 ， 我们可以知道x射线的估计是系统的低 ， 这表明有新的天体物理学(但不是新的基础物理学)在起作用 。
在银河系核心的超大质量黑洞附近发现了大量恒星 。 除了我们发现的这些恒星、气体和尘埃 ， 我们预计在距离人马座a *数光年的距离内 ， 还会有超过1万个黑洞 ， 但直到2018年早些时候 ， 对它们的探测才被证明是困难的 。 解决中心黑洞的问题是一项只有视界望远镜才能完成的任务 ， 而且还可能探测到它随时间的运动 。 (S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)
我们能看到黑洞像预测的那样随着时间“抖动”吗?这个可能不会马上出来 ， 特别是如果我们从这些最初的观测中得到的只是一个或两个黑洞的单一图像 。 但是EHT的科学目标之一是观察黑洞是如何随着时间演变的 ， 这意味着他们计划在不同的时间拍摄多个图像 ， 然后重新构建这些黑洞的影像 。 由于恒星和其他物质的存在 ， 随着时间的推移 ， 由于引力的作用 ， 黑洞的明显位置会发生显著变化 。 尽管观测一个黑洞相当大的移动可能需要数年时间 ， 但我们拥有的数据是在很长一段时间内获得的 。 在星系中心 ， 通过eht成像的黑洞可能会开始表现出这种抖动的迹象:宇宙中的布朗运动 。
位于我们星系中心的超大质量黑洞人马座A* ， 只要物质被吞噬 ， 就会发出明亮的x射线 。 在其他波长的光线中 ， 从红外线到无线电 ， 我们可以看到星系最内部的单个恒星 。
假设EHT公布了一张银河系中心的黑洞图像 ， 那么创造第一张黑洞图像的关键观测数据是在整整两年前的完成的 。 我们花了这么长的时间来分析、清理、切割、调整和合成全套数据 ， 相当于27PB的关键观测数据 。 (尽管只有大约15%的数据是相关的和可用的 ， 用于构建图像 。 )东部时间4月10日上午9点(太平洋时间上午6点) ， EHT合作组织将举行新闻发布会 ， 预计在会上他们将发布第一张视界的图像 ， 有可能这些问题中的许多——甚至可能全部——将得到解答 。 无论结果如何 ， 这都是物理学和天体物理学向前迈出的里程碑式的一步 ， 并开创了一个科学的新时代:直接测试和黑洞视界本身的图像!
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