在南极洲搜寻黑洞

事件视界望远镜(EHT)的天文学家目前正努力将其纳入其黑洞观测、行星大小阵列的每架望远镜都是一个特例。

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


南极望远镜。图片来源:Daniel Luong-Van,美国国家科学基金会

事件视界望远镜(EHT)的天文学家目前正努力将其纳入其黑洞观测、行星大小阵列的每架望远镜都是一个特例。例如,墨西哥的大型毫米波望远镜是一个巨大的单碟,位于一座异常高的山顶上,更不用说它是该国任何类型的最大科学项目。 阿塔卡玛大型毫米波阵列(ALMA)是一台价值数十亿美元的仪器,是世界上最强大的射电望远镜。

南极望远镜在几个方面都是一个特例。 首先,最明显的是:它位于南极。 这使得即使在天气好的时候也很难到达那里,并且在南极冬季完全无法到达。 但也有一些不太明显的区别特征。 例如,南极望远镜的设计初衷是用于研究宇宙微波背景辐射这一非常特殊的任务——这与事件视界望远镜(EHT)的天文学家希望它做的事情完全不同。


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这就是为什么去年 12 月,亚利桑那大学图森分校的天文学家和事件视界望远镜(EHT)合作者丹·马罗内与几位同事飞往南极。 他们的工作是安装南极望远镜加入事件视界望远镜(EHT)观测黑洞所需的设备。

通常,南极望远镜的 10 米碟形天线将来自宇宙微波背景的极其微弱的辐射导入到称为辐射热计的相机中。 马罗内解释说:“该相机实际上只是通过感测累积的光线使每个探测器升温多少来测量来自天空特定方向的热量。” 为了进行甚长基线干涉测量(VLBI),事件视界望远镜使用的技术,南极望远镜(SPT)需要一种不同的相机——一种单像素仪器,用于记录微波(特别是频率为 230 GHz 的微波)撞击望远镜的波形。 马罗内解释说,有了这个单一的高灵敏度像素,“我们实际上可以记录一个‘电影’,记录来自我们目标的辐射在望远镜表面产生的电场。”

最终,在事件视界望远镜的完整观测运行期间,世界各地的望远镜都将在 8 TB 硬盘阵列上记录这样的“电影”,然后将它们运回波士顿附近麻省理工学院的干草堆天文台,科学家们将在那里使用称为相关器的超级计算机,将所有站点收集的数据结合起来。

当马罗内在 12 月 1 日离开图森时,他的团队已经向南极运送了 13 个板条箱的设备。 当马罗内于 12 月 9 日到达时,只有两个板条箱在等他。 马罗内说:“事实证明,在南极做任何事情从来都不是容易的。”

在最初的几周里,随着货物陆续运到,马罗内和他的同事们尽其所能地工作。 空间很小,建筑物正在建设中。 马罗内说:“在我们到达那里的头一个半月里,每天都有人在我们耳边用乙炔焊枪焊接,空气中弥漫着奇怪的刺鼻烟雾。” 当最后一批零星货物在 12 月下旬到达时,“我们可以真正起飞了,我们也确实这样做了,”马罗内说。 “那是非常漫长的一天。 我们会在早上 8 点或 8 点半蹒跚而出,回来吃午餐或晚餐,然后工作到午夜。 圣诞节、新年,都无所谓。”

一月中旬,马罗内和他的团队完成了安装,并将改装后的望远镜指向天空。 当地时间 1 月 16 日清晨,他们使用南极望远镜甚长基线干涉测量(VLBI)接收器获得了第一束光,通过在天空中扫描他们的单像素来制作图像,并用马罗内的话说,“制作每个天空位置记录的像素值的地图。”

由南极安装人员签署的官方第一束光图像是银河系中心附近一氧化碳的地图。

改装后的南极望远镜看到的银河系中心附近的分子云。 图片来源:丹·马罗内

另一张图像描绘了 230 吉赫兹的月球。 马罗内说:“你看到的不是反射光,而是从月球表面逸出的热量。” “值得注意的是,在 1 毫米波段,新月比在光学波段更宽,因为刚刚失去阳光的月球部分仍在冷却。 你还可以看到你习惯用肉眼看到的明暗区域的真实特征。”

南极望远镜拍摄的 230 GHz 月球图像。 图片来源:丹·马罗内

这些只是测试图像,但它们证明了允许南极望远镜加入事件视界望远镜的设备是有效的。 下一步是将南极望远镜与另一台遥远的望远镜连接起来。 南极望远镜(SPT)和智利的阿塔卡玛探路者实验(APEX)望远镜在南极望远镜(SPT)记录上述图像后不久一起进行了观测,结果数据目前正在干草堆天文台进行分析。 如果“条纹”出现,这将是朝着使完整的事件视界望远镜(EHT)阵列准备好拍摄银河系中心黑洞照片迈出的重要一步。

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 年)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,该书被《纽约时报杂志》节选,并被评为《纽约时报》书评编辑之选。 他的著作《瓶装闪电》(2011 年)首次明确讲述了锂离子电池的发明以及 21 世纪电动汽车的重生。 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,包括哥伦比亚广播公司的《面对国家》、美国国家公共电台的《新鲜空气》、英国广播公司世界服务以及美国国家公共电台的《早间新闻》《科学星期五》《市场》《外卖》。 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。

更多作者:塞思·弗莱彻
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