建造地球尺寸望远镜,一次一台站

想象一下由三架特技飞机组成的编队。多年来,他们的例行表演已经非常出色。但他们想再增加五、六或七名成员。

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


墨西哥普埃布拉州的大型毫米波望远镜

想象一下由三架特技飞机组成的编队。多年来,他们的例行表演已经非常出色。但他们想再增加五、六或七名成员。他们还想将螺旋桨飞机升级为喷气机,配备定制发动机和数字航空电子设备。他们计划在同时进行一年一度的飞行表演(相当于奥运会的资格赛)时,完成所有这些升级和扩建。

这可能不是事件视界望远镜 2015年观测活动的最佳类比,该活动于三月下旬的五个夜晚进行。如果出现问题,没有人会从空中坠落,变成一团火球。他们不必每晚都完美地完成例行程序。如果他们设法调试好升级后的、扩大的阵列,并获得一个晴朗天气、每个站点望远镜都运转良好的良好观测夜,那么这次运行将是成功的。但他们是在一年一度的机会窗口期同时部署新设备和新望远镜。而他们正在为之努力的事件——拍摄黑洞的照片——是非常“奥运”级别的。


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我们暂时还不知道他们是否获得了那个至关重要的良好观测夜。但他们肯定做了很多调试工作。

一些背景信息:多年来,事件视界望远镜一直在夏威夷、亚利桑那州和加利福尼亚州的三个站点运行。(情况比这稍微复杂一些——其他站点也零星加入,实际上在莫纳克亚山上有两台望远镜参与——但基本上,直到今年,EHT 还是一个三角形。)它的目标是对银河系中心的 400 万太阳质量的黑洞人马座 A* 进行成像,这项成就可能对我们理解宇宙产生深远的影响。为了做到这一点,EHT 需要发展成为一个真正的全球阵列。 这意味着要将以下望远镜添加到阵列中:

(最终计划是增加格陵兰望远镜,但它尚未建成,所以我们暂时将其搁置。)

几个月前,似乎大多数这些望远镜都可能参与 2015 年的观测活动,但这始终是不确定的。 在 ALMA 定相项目——由 EHT 科学家在麻省理工学院海斯塔克天文台领导的一项大型技术升级项目——完成之前,ALMA 无法加入,而这项工作正在进行中。 直到最近,墨西哥的大型毫米波望远镜仍然没有一个在 EHT 需要的毫米波波长下工作的接收机。 直到一月份,南极望远镜也没有合适的接收机。 阵列中的每个站点,包括 EHT 多年来一直在使用的美国站点,都必须配备新的、高带宽的信号处理器和记录器,能够吸入大量的数字化光,才能看到黑洞的事件视界。

在短时间内完成如此多的技术工作是很困难的。 而 2015 年 3 月成为硬性截止日期的原因是,EHT 实际上只能每年观测一次,那时每个站点的天气(理论上)都足够好,并且地球相对于银河系中心的方向也合适。

所以,这就是发生的事情。

在过去的一年中,阵列中的每个站点都进行了一些改造,涉及许多装满手工制造的信号处理器、数据记录器和其他电子设备的箱子。

两座欧洲站点之一——IRAM 30 米射电望远镜——参与了观测,但布尔高原干涉仪正在等待一些技术升级,因此它缺席了这次观测。

南极望远镜获得了它需要的接收机——更多信息请点击此处——但它无法参与这次观测,因为一旦接收机安装并确认运行正常,团队就不得不将其运回图森进行升级,以便使其在更高的频率下工作。(将接收机运到南极,安装它,然后再打包运回美国进行升级,听起来可能很疯狂,但按照南极科学的后勤标准,这显然是很标准的。 在南极对超导机器的内部进行精细工作并不容易。 此外,由于南极望远镜正在进行其他升级,他们无论如何都必须在明年重新安装接收机。)

APEX 已准备好参与,但其新的 1.3 毫米接收机发生故障,瑞典的制造商无法及时修复以赶上观测。

由于各种原因,包括 Alma 定相项目仍在进行中,ALMA 没有加入。

大型毫米波望远镜的 1.3 毫米接收机在最后关头组装完成。 由马萨诸塞大学阿默斯特分校的 Gopal Narayanan 领导的 EHT 科学家制造了一个接收机,并在春季观测之前及时将其运到墨西哥。 他们不得不临时组装它的原因是,直到去年年底他们才获得资金来制造接收机。 将其运到墨西哥花费如此长时间的部分原因是今年波士顿下了惊人的大雪; 天气延误了仪器的最终测试和运输数周。

由于所有这些原因,这次观测运行主要是一次调试会话,有两个目标: 1) 使每个站点的新接收机和记录器都正常工作,以及 2) 将大型毫米波望远镜 (LMT) 添加到阵列中。

向阵列添加一台望远镜听起来可能不多,但引入 LMT 意义重大。 首先,LMT 非常巨大。 这是一个 50 米的射电望远镜,目前已抛光和调整了 32 米的表面,精度足以在 1.3 毫米波长下工作。(射电望远镜表面的其余部分应在明年这个时候完成。) 其次,LMT 是一个墨西哥-美国联合项目,由墨西哥国家科学技术委员会 (CONACYT) 和包括美国国家科学基金会 (NSF)在内的美国资助者共同资助,恰好位于地球上非常方便的位置。 将 EHT 阵列中的各个望远镜想象成行星尺寸的虚拟镜面上的单个镀银点。 你拥有的点越多越好。 但你也需要这些点位于正确的位置; 你不希望你的收集区域出现大孔洞。 而 LMT 填补了一个重要的孔洞。(在天文学家行话中,LMT 填补了 UV 平面中的重要孔洞。)

我飞到墨西哥参加了观测的前几天,并在 LMT 度过了几个晚上。(我很想描述这个奇怪而偏远的地方的外观和感觉,但我已经在博客上讲述了一个关于 LMT 的长篇故事,而且这里有很多内容需要介绍。) 不可避免地,出现了一些问题。 将光线反射到接收机中的镜子略微错位,因此当天文学家试图通过观察木星来校准望远镜时,行星比应有的亮度暗得多——并非所有的光线都到达了接收机。 天文学家通过一个涉及激光和液氮的复杂程序修复了这个问题。 但还有另一个问题:接收机产生的数据中出现了一种奇怪的摆动。 这种小故障来自接收机内部深处,使得难以“指向”望远镜——也就是说,难以将射电望远镜精确地对准正在研究的微小、昏暗的物体。 这比镜面错位问题要严重得多。 天文学家花了几天时间疯狂地工作,才找到一种绕过故障并准确指向望远镜的方法。

最后,在为期 10 天的运行即将结束的一个晚上,夏威夷、加利福尼亚州、亚利桑那州和墨西哥的站点天空晴朗,故障也已排除。 那晚记录的数据现在已返回海斯塔克天文台,一台超级计算机将在那里综合所有数据,并寻找站点之间的共同探测结果。 幸运的是,事件视界望远镜将有史以来最接近地观察到银河系中心的黑洞人马座 A*。

一旦相关器产生结果,我将发布更新。 更多信息即将发布……。

塞思·弗莱彻大众科学的首席专题编辑。 他的著作 爱因斯坦的阴影 (Ecco, 2018) 讲述了事件视界望远镜和拍摄黑洞第一张照片的探索过程,该书节选刊登在《纽约时报杂志》上,并被《纽约时报书评》评为编辑之选。 他的著作 瓶装闪电 (2011) 是关于锂离子电池发明和 21 世纪电动汽车复兴的第一部权威著作。 他的作品曾发表在《纽约时报杂志》、《纽约时报》评论版、《大众科学》、《财富》、《男士杂志》、《户外》和其他出版物上。 他曾多次在电视和广播节目中露面,包括 CBS 的“面对全国”、NPR 的“新鲜空气”、BBC 世界服务和 NPR 的“早间新闻”、“科学星期五”、“市场”和“The Takeaway”。 他拥有密苏里新闻学院的硕士学位,以及密苏里大学的英语和哲学学士学位。

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