看清黑洞?地球口径都嫌不够!人类需要更锐利的“无线电眸”

▲EHT网络示意图

更高分辨率的太空观测设备将更有希望捕捉到更多——或许是上百万个分布于宇宙各处的——超大质量黑洞的阴影(www.zanyu.net)。这些工作有望帮助我们解答许多关于黑洞的谜团,例如它们是怎样在宇宙早期迅速成长的。

前景令人兴奋,但实际研究并不容易。在研究装备方面,我们可能需要比现有事件视界望远镜(EHT)更高级别的“无线电眼睛”。实际上,EHT已经打开了身处地球的人类所能企及的最大视界。

目前,科学家可以采取的一种手段是,通过使用更短波长的信号获得更清晰的视野。M87黑洞的原始图像基于波长1.3毫米的无线电信号。不少科学家相信,只要将这一波长缩短至四分之一,就足以看到第一个最明亮的光子环。

不过,地球上绝大多数区域的大气层都会阻断波长如此之短的无线电信号——除了极度高纬和干旱的地区,例如南极和智利的阿塔卡马沙漠。要是可以在太空中增设一台射电望远镜,或许目标可能实现——望远镜离地球越远,对光子环的成像就越精确。

设在智利阿塔卡马沙漠的射电望远镜

距离地球差不多150万千米的日地拉格朗日L2点就是一个绝佳位置:航天器来到此处后,会在地球和太阳的引力作用下保持相对静止。换句话说,在这个点开展工作,所需成本最低。设在L2点的望远镜与地球上的其他望远镜相配合,就能以足够分辨率对M87黑洞周围的前三个光子子环和人马座A*(银河系中心较小的超大质量黑洞)周围的光子子环成像。

这些设想或许并非遥不可及。2011年,俄罗斯发射了天基射电望远镜Spektr-R(现已失联),就曾在距地球30万公里处开展工作。Spektr-R的升级版Spektr-M,又称“光谱-M”太空望远镜,将于2029年左右发射到L2。美国的太空望远镜“起源”如果获批,也将于2035年左右向L2进发。

不过,在出发前,“起源”需要先做一些配置升级,才能更好执行测量光子子环的任务。升级任务之一是提高机载时钟的精度,以确保与地球望远镜观测数据的同步。

项目负责人之一、美国加州大学欧文分校的阿萨塔·库雷指出,目前看来,“起源”今后可能遇到的主要困难并非观测精度,而是庞大的数据量。

太空望远镜所获得的原始数据必须先传输回地球,再与地球望远镜的数据相结合,以供研究团队分析处理。据估算,“起源”观测6小时就会存储下约230TB的原始数据量。航天器常用的数据传输渠道是无线电网络,要将这个体量的数据传回地球,对于无线电网络来说,实在太庞大了。

至于通过黑洞视角拍摄宇宙电影的任务,即使我们真的能在L2点安排覆盖百万英里宽的无线电阵列,也只够搞出一部3帧长的预告片。即便是在遥远的未来,拍摄一部正片长度所需的技术也未见得有望实现。

当所需观测的光子子环变得越来越细,科学家必须不断放大用于观测的望远镜口径——如果能把无线电阵列的覆盖面扩展到从地球到离地球最近的恒星半人马座(相距4光年)的范围,人类将可观测到大约10个子环。

作者:刘迪一/编译

编辑:许琦敏

责任编辑:任荃

图片来源:EHT官网、ALMA官网

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