(FIG المصدر: shao.ac.cn)

الكاتب | الطرق إذا (شنغهاي المرصد الفلكي، والأكاديمية الصينية للعلوم، معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي)

اليسار ون ون (شنغهاي المرصد الفلكي)

المصدر | السيد سباق (ID: mrscience100)

بتوقيت بكين مساء يوم 10 أبريل 201909:00، أفق الحدث للثقب الأسود تلسكوب (أفق الحدث تلسكوب، EHT) تعقد منظمة التعاون والتنسيق على المستوى العالمي من خلال المؤتمر الصحفي المشترك ستة للإعلان عن استخدام الإنسان الأول من تلسكوب لاسلكي فتحة الظاهري مثل حجم الأرض، في حي وسط الثقب الأسود التقاط الصور النجاح المجرة الإهليلجية العملاقة M87 على لاول مرة في العالم (الشكل 1).

هذه الصورة من أهمية غير عادية، فإنه يوفر دليلا مباشرا "البصري" عن وجود الثقوب السوداء، ونظرية النسبية العامة لآينشتاين يجعل التحقق في مجال الجاذبية القوية، دراسة متأنية للمسألة بالقرب من تراكم الثقب الأسود وطائرات النسبية ممكن.

لذا، لماذا الثقب الأسود يمكن تصوير؟ كيف التصوير؟ هذه المحاولات رقة ليشهدوا زاوية ذهابا وإيابا لجعل الأسود تفسير حفرة التصوير.

صورة FIG 1. M87 مركز المجرة الثقوب السوداء الهائلة (M87 *) أعلاه، للصورة 11 أبريل 2017، والرسم البياني أدناه الصور الثلاث في M87 * 5 أبريل 2017، 6، و 10 يوما. FIG منطقة قاتمة هي مركز "ظل الثقب الأسود" (انظر أدناه)، وهيكل غير المتماثلة دوري حول العدسة ويرجع ذلك إلى (مبتهجا) تأثير قوي الجاذبية والنسبية شعاع الذي تسببت فيه. من التفاوت في هذه (شمال) ضمن (الجنوبية) ويمكن تحديد اتجاه دوران الثقب الأسود. (FIG المصدر: المرجع )

الثقوب السوداء والنسبية العامة

قبل مائة عام، ونظرية النسبية العامة، الزمان والمكان آينشتاين سيتم دمجه مع الزمكان رباعي الأبعاد، ويمكن اعتبارها الجاذبية المقترح تشويه الزمكان. هذه النظرية يجعل الكثير من نبوءة مهمة، واحدة منها هي: عندما تستمر نوعية كائن إلى الانهيار، يمكن أن تكون مخفية داخل أفق الحدث (أفق الحدث) - وداخل هذا الثقب الأسود "مناطق النفوذ" في خطورة ما يكفي قوية للضوء حتى لا يستطيع الهروب.

للتحقق من نظرية النسبية العامة، يمكن أن ترجع إلى قبل قرن من الزمان. 29 مايو 1919، آرثر إدينجتون الذي تقاس تجريبيا خلال الكسوف الكلي للشمس بالقرب من انحراف الضوء (الشكل 2)، تمهيدا للتحقق من نظرية النسبية العامة القرن الماضي، ودفعت العلوم أينشتاين "المذبح".

الشكل 2. أثناء كسوف الشمس 29 مايو 1919، وفي جزيرة غينيا الإسبانية برينسيبي وسوبرال في شمال البرازيل للمرة الأولى النجمين باستخدام النظرية العامة للنسبية الرسم التخطيطي للتحقق انحراف. (FIG المصدر: أخبار لندن المصورة)

لأكثر من قرن، النسبية العامة صمدت امام التجارب المتعاقبة، وكان وجود الثقوب السوداء أيضا المزيد والمزيد من الأدلة على الأرصاد الفلكية.

حاليا، علماء الفلك عموما يعتقدون في وجود الثقوب السوداء في الكون، من عدة مرات لعدة مرات كتلة ثقب أسود نجمي الشامل في الشمس، تصل إلى عدة مئات من المرات أو المليارات حتى من مرة من كتلة الشمس هائل الثقوب السوداء، كل شيء . وعلاوة على ذلك، فإن وجود ثقب أسود هائل في مركز المجرات كلها تقريبا.

ومع ذلك، وحتى في LIGO / العذراء كشف موجات الجاذبية، التي تثبت رسميا وجود الثقوب السوداء اليوم، البشر لا يستطيعون رؤية مباشرة سر "ثقب" في الزمكان سرا في ظل ظروف متطرفة - "الثقب الأسود أفق الحدث".

ولعل هذا هو سحر الثقب الأسود نفسه تسبب - على مدى الثقب الأسود الكثيف من الصعب أن نتخيل! إذا مضغوط الأرض في ثقب أسود، وحجمه تقريبا زلابية، وتقع على مسافة من 1kpc الأرض (حوالي 3262 سنة ضوئية)، وثقب أسود نجمي 10 مرة من كتلة الشمس، قطرها الزاوي لها سوى الأفق 0.4 الحدث ثوان قوسية كارولينا. القرار هذا هابل حوالي 100 مليون مرة أصغر، أي أدوات الرصد الفلكي الحالية ليست هذه السلطة حل!

لماذا يمكن لثقب أسود التصوير؟

منذ الثقوب السوداء هي "السوداء"، ولا حتى الضوء لا يستطيع الهروب، ثم كيف ينبغي لنا لا نرى الثقب الأسود؟

في الواقع، ليست معزولة الثقب الأسود، وهناك الكثير من الغاز من حوله. ويرجع ذلك إلى ثقب أسود الجاذبية القوية، فإن الغاز تنخفض نحو الثقب الأسود. عندما يتم تسخين الغاز إلى درجة حرارة المليارات وسوف يصدر الإشعاع المكثف. وفي الوقت نفسه، كما في شكل طائرة الثقب الأسود الرياح الخارج حقن المواد والطاقة .

تتوقع النسبية العامة، وسوف نرى هالة بسبب وجود الظلال (الثقب الأسود الظل)، وتحيط بها الأفق شكلت تراكم الأسود الحدث حفرة الناجمة عن الإشعاع أو المنطقة الوسطى من تدفق طائرة - وكان يشبه الهلال، وفقا لحجم الثقب الأسود تدور مختلفة والمراقب نظرة الاتجاه، بين 4،8-5،2 مرات شوارزشيلد دائرة نصف قطرها (ملاحظة: ليس هناك تدور شوارزشيلد نصف قطر الثقب الأسود أفق الحدث دائرة نصف قطرها؛ الثقب الأسود أفق الحدث من دائرة نصف قطرها من كتلة الشمس حوالي 3 كيلومترات).

في الثقب الأسود لا يمكن أن نرى القدرة الحقيقية السنين، والعلماء حساب فهم الثقوب السوداء "مظهر".

في وقت مبكر من أواخر 10 من القرن الماضي، وعالم الرياضيات هيلبرت الكبير (ديفيد هيلبرت) لحساب ضوء الانحناء وعدسة الجاذبية حول الثقب الأسود.

1970s، وجيمس باردين وجان بيير لومينيه ، الذي يحسب صورة الثقب الأسود (FIG (3)، غادر).

أواخر 1990s، هينو Falcke، الذي جعل الحال بالنسبة لمركز المجرة ثقب أسود من الحسابات المفصلة، وإدخال ظل الثقب الأسود ليقول . وأشاروا أيضا إلى أنه إذا ظل الثقب الأسود "جزءا لا يتجزأ" في مشرق المحيطة بها، رقيقة بصريا (أي على الطول الموجي للمراقبة شفافة) من الغاز الساخن، يمكن أن يكون (دون) ملليمتر موجة جدا طويل الأساس التداخل "رؤية" .

بعد ذلك، واحد باستخدام العددية محاكاة MHD النسبية العامة، قام الكثير من البحوث التي أجريت لتشكيل الثقوب السوداء مظللة الثقب الأسود توقع (FIG (3)، والحق). وهكذا، التصوير ظل الثقب الأسود يقدم دليلا مباشرا "البصري" عن وجود الثقوب السوداء.

صورة الظل FIG 3. الثقب الأسود (من المرجع الأيسر ، التي تقدمها حق المؤلف)

أي نوع من ثقب أسود بالنسبة لمعظم التصوير؟

وعلى الرغم ظل الثقب الأسود يمكن أن "رؤية"، ولكن ليس كل الثقوب السوداء تتماشى مع ظروف التصوير. مما سبق، والثقب الأسود هو صغير جدا. قادرة على التصوير ثقب أسود، ليس هناك شك يجب أن يكون قطرها الزاوي بما فيه الكفاية كبيرة. كما السوداء أفق الحدث حفرة يتناسب مع حجم كتلته، وهو ما يعني أنه كلما زادت كتلة الثقب الأسود، أفق الحدث هو أكبر، وأكثر ملاءمة للتصوير. لذلك، من وجهة نظرنا بالقرب من الثقوب السوداء الهائلة هي المرشح المثالي للجسم التصوير الثقب الأسود.

المجرة مركز الثقب الأسود في اتجاه كوكبة ساجيتاريوس A * المجرات الراديوية الجيران ومركز الثقب الأسود M87 * M87 هما المعروفة حاليا أفضل مرشح منها.

المجرة مصدر الراديو مركز ساجيتاريوس A *، روبرت براون وبروس Balick هو استخدام تداخل الإذاعة الوطنية الأمريكية المرصد الفلكي، (قصة اكتشاف وتسمية، يرى ) اكتشف في عام 1974. في الوقت الحاضر، والمزيد والمزيد من الأدلة أنه هو كتلة من حوالي 400 مرة من كتلة الثقب الأسود الشمس . منذ حوالي 2.6 مليون ضوء ، مركز المجرة ثقب أسود شوارزشيلد دائرة نصف قطرها حوالي 10 الصغرى ثوان من زاوية الأرض، وزاوية قطر الذي يتوافق مع زاوية ثقب الظل الأسود من 47-50 الصغرى ثانية، ما يعادل تفاحة القمر قطر الزاوي (القطر من زاوية القمر حوالي 0.5 درجة).

M87 هي مجرة بيضاوية عملاقة تقع الاتجاه العذراء، حوالي 55 مليون سنة ضوئية من الأرض. في وقت مبكر من عام 1918، لاحظت حابر كورتيس شعاع موازى غريب "راي على التوالي الغريب" يرتبط المجرة المركزية من . في الواقع، وهذا هو شعاع موازى M87 طائرة أصدرت ويمتد آلاف السنين الضوئية، وأصبح M87 أبرز سمات من المركز. هذا أيضا يجعل من مصادقة الطائرة الأولى المجرات من (FIG 4).

وبما أن مركز مجرة درب التبانة، لديها مركز M87 أيضا ثقب هائل الأسود (الآن يسمى مركز المجرة ثقب أسود من قبل اصطلاح التسمية M87 *)، كتلته من حوالي 6.5 مليار مرة من كتلة الشمس. ورغم أن هذا الثقب الأسود من كتلة كبيرة من ساجيتاريوس A * 1500 أضعاف، ولكن أيضا بعيدا عن مرة عام 2000، يبدو أن الثقب الأسود هو أصغر قليلا من جوهر الفضة - التي شوارزشيلد دائرة نصف قطرها حوالي 7.6 زاوية ثانية الصغيرة، وحجم ظل الثقب الأسود زاوية الموافق 37-40 ثانية الصغيرة.

FIG 4. طائرات الراديو M87 على مختلف المستويات (FIG المصدر: المرجع ).

أي نوع من تلسكوب لتصوير الثقب الأسود؟

وقد تم اختيار الهدف، فإنه في الوقت، كانت "إخوان المعركة". القديم قائلا: "يجب علينا أولا له من" الثقب الأسود إلى التصوير، وأفضل وسيلة من التداخل الأساس طويل جدا (جدا طويل الأساس التداخل، VLBI) تقنية.

التلسكوبات اللاسلكية VLBI استخدام توزع على نطاق واسع (مسافة تصل إلى عشرات الآلاف أو مئات الآلاف من الكيلومترات)، بشكل مستقل من قبل كل إشارة تسجيل محطة ومعالجة ما بعد ارتباط متكامل على إشارة، والحصول على ما يعادل حجم المسافة القصوى بين كل محطة العملاق (الظاهري) التلسكوب. هذه التقنية يمكن الحصول على أعلى الأبحاث حل السلطة الفلكية، القرار ~ / D، حيث هو الطول الموجي للمراقبة، D هو طول الحد الأقصى خط الأساس. يفترض 1 ملليمتر موجات تلك الملاحظة، يبلغ طوله كيلومترا 10000 (عن قطر الأرض) الحصول على خط الأساس حل السلطة من حوالي 21 ثوان قوسية الصغيرة. VLBI باستخدام الدقة كل عدة مئات من ملايين السنين إشارة الخطأ الثاني للتأكد من أن الساعات والتلسكوبات سجلت نووية متزامنة في الوقت المناسب، وضمان استقرار إشارة.

تكنولوجيا VLBI منذ أواخر 1960s، وأدائها مع تقدم التكنولوجيا قد تحسنت بشكل مستمر، أيضا تغطية الموجة الممتدة من الفرقة سم حاليا في طليعة التنمية الدولية (الفرعية) ملليمتر موجة الفرقة.

مثل مشاهدة برنامج تلفزيوني، التي سيتم اختيارها على نفس القناة، والثقب الأسود من حيث التصوير، ويمكن أن الملاحظات VLBI سيكون حاسما في الفرقة الصحيحة. أفضل فرقة في محيط الملاحظات أفق الثقب الأسود 1 ملم، وليس مجرد وجود مهارات عالية الدقة لها، حتى بضعة أقل أهمية دراسة / ميزة :

يصبح الإشعاع شفافة الغاز الثقب الأسود ( "رقيقة بصريا") الفرقة قصيرة ملليمتر موجة. هذه الصورة من الثقب الأسود أمر بالغ الأهمية، وإلا فإن القرار هو أبدا مرتفعة جدا ولكن دون جدوى.

ألمع هذا الإشعاع الغاز تراكم الفرقة. من أجل "رؤية" أفق الحدث الثقب الأسود، يجب أن يكون الإشعاع المحيطة لدينا معدات المراقبة حساسة نسبيا بما فيه الكفاية "مشرق".

في هذا النطاق موجة الراديو المنتشرة فشيئا تدخل بين النجوم. هذا مهم بشكل خاص لمركز المجرة، لأن يتأثر بشدة من قبل تناثر بين النجوم في سم فرقة فما فوق، بحيث لا نستطيع أن نرى هيكل لا يتجزأ من الإشعاع حول الثقب الأسود.

وبالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من العوامل الهامة تخطيط، وما إلى ذلك لتعزيز حساسية المحطة يحتاج أيضا إلى النظر فيها.

وهكذا، نجد أن، طالما أن القرار ليست عالية بما فيه الكفاية VLBI مجموعة من الثقوب السوداء يمكن التقاط الصور بنجاح!

EHT ملاحظاتها في أبريل 2017 من

في السنوات الأخيرة، و 1.3 ملم الملاحظات VLBI في ساجيتاريوس A * وM87 *، على التوالي، تم الكشف في هيكل ثقب أفق الحدث أسود الحجم، والتي لتصوير الثقب الأسود أمر مشجع للغاية. ولكن يحد من عدد من المحطات والحساسية، لم يتمكنوا من تنفيذ الملاحظات التصوير مفصل.

مع، محطة جديدة submillimeter حساسية عالية (وخاصة أتاكاما كبير ملليمتر / submillimeter صفيف، الخ) وأضيف إلى مجموعة عالمية -VLBI 1.3 ملم، والثقوب السوداء المراقبة التصوير الممكنة.

لالتقاط أول صورة من الثقب الأسود، شكل الحالية EHT هذا البرنامج التعاون الدولي الرئيسي لأكثر من 200 عالم من اثني عشر بلدا (المناطق)، بما في ذلك الصين. وتستخدم تقنية المراقبة EHT (alkylene) VLBI ملليمتر موجة، الذي يعمل حاليا الفرقة في 1.3 مم، ومن المتوقع أن تتوسع إلى 0.8 مم.

عن طريق التصوير الثقب الأسود، يمكن أن EHT التحقق من نظرية آينشتاين النسبية العامة في البيئات القاسية مجال الجاذبية القوية، ودراسة مفصلة حول تشكيل ونشر المواد من الثقب الأسود وطائرة تراكم.

كما إدينجتون، الذي كان قبل 100 سنة تحقق صدى النسبية العامة والمتعاونين EHT في أبريل 2017 إلى أعلى مستوى في العالم أكثر من ذلك، أكثر من بعد علم الفلك الراديوي المرصد، في آينشتاين يعتقد أبدا طريقة لاختبار نظريته في النسبية العامة.

تشارك في ستة مواقع الملحوظة في العالم بما في ذلك ثماني محطات (الجدول 1، FIG 5).

الجدول 1. المشاركة تلسكوب الملاحظات المعلومات EHT، حيث القطر الفعال ALMA، LMT، SMA وSPT 2017 فقط للمراقبة.

الرقم 5 أبريل 2017 EHT المشاركة محطات المراقبة VLBI 8، خط متصل متصلا المراقبة M87 خمسة مواقع (محطات 7؛ تقييد بسبب الموقف في القطب الجنوبي لا يمكن ملاحظتها SPT M87 التلسكوب)، وهو خط كسر اتصال لمصدر معايرة الملحوظ (3C279) محطات. (تصوير مؤلف)

لزيادة حساسية الكشف، وكمية البيانات المسجلة EHT كبيرة جدا. المراقبة في أبريل 2017، كل محطات معدل البيانات مذهلة 32Gbit / ثانية، بلغت 8 محطة قه تم تسجيل حوالي 3500TB البيانات (أي ما يعادل 3.5 مليون الأفلام خلال الملاحظة خمسة أيام على الأقل قبل عدة مئات من السنين بعد القراءة!).

مخصص EHT القرص الثابت لتسجيل البيانات، ومن ثم إعادتهم إلى مركز البيانات للمعالجة. هناك، استخدم الباحثون العملاق التصحيحية الفرق وقت وصول موجة من التلسكوبات المختلفة، وجميع البيانات للقيام بعملية عبر ارتباط شاملة، وذلك لتحقيق إشارة متماسكة.

على هذا الأساس، من خلال هذه البيانات من خلال مرحلة ما بعد المعالجة وتحليل ما يقرب من عامين، قد استولت البشرية لاول مرة صورة الثقب الأسود.

منذ فترة طويلة المعنية العلماء الصينيين حول الثقوب السوداء عالية الدقة دراسة التصوير، قبل أن أجريت شكل EHT التعاون الدولي من يتم عرض الأعمال ذات الصلة في كثير من جوانب درجات الدولية. في التعاون EHT العلماء الصينيون في أوائل EHT العمل معا على تشجيع التعاون والمشاركة من الوقت تلسكوب تطبيق EHT، في الوقت الذي تساعد التلسكوب JCMT لتنفيذ الملاحظات ومعالجة البيانات النظري والمشاركة التحليل، وقدم الثقب الأسود للتصوير EHT مساهمة إيجابية.

طرق قياس جودة بسبب ثقب أسود مختلفة من M87 (مقابل الهوائية حركية نجوم) النتائج الفرق ما يقرب من 2 أضعاف، فمن الممكن أن قليلا عرضي M87 * أو الناس في التصوير. ومع ذلك، فإن التصوير الناجح لثقب أسود M87 هو بأي حال من الأحوال محطة من EHT. بدلا من ذلك، سوف تحفز نتائج مثيرة الناس إلى المزيد من الاهتمام والحماس للبحث الثقب الأسود.

حاليا، ملاحظات M872017 تواصل التحليل. ويأمل الباحثون في الحصول على الخواص المغناطيسية للثقب الأسود المحيطة دراسة إشعاع الاستقطاب، الذي طائرة تشكيل تراكم وضرورية لفهم المواد حول الثقوب السوداء.

آخر عضو الأمثل التصوير مرشح - مركز المجرة ثقب أسود كتلة أكثر معينة، وأظهرت الملاحظات السابقة التي EHT، و "الظلام الأوسط، المحيط (الجانب) خفيفة" هيكل الثقب الأسود، حيث حجمها الكلي هو 5 مرات التاريخ فاسيلي دائرة نصف قطرها، بما يتفق مع تنبؤات النسبية العامة (المرجع وFIG 6).

مع المزيد من محطات المراقبة المتابعة (مثل الشمالي صفيف الموسع ملليمتر، كيت بيك تلسكوب) وأضاف EHT، فضلا عن جودة البيانات (حساسية) تحسين، لدينا كل الأسباب للاعتقاد بأن في القريب الوصول المستقبل EHT إلى ثقب أسود مركز المجرة أكثر وضوحا الصور.

دعونا ننتظر ونرى!

الشكل 6. 2013 باستخدام أربعة مواقع تقع في المحطات الست تحمل VLBI VLBI المراقبة التخطيطي 1.3 ملم لثقوب سوداء القلب الفضة، حيث يتم إعطاء نموذج في FIG جزءا لا يتجزأ من اثنين على الأرجح يشع بنية متسقة مع الملاحظات. ملاحظة: في التطور المبكر أو VLBI العام في غطاء الأساس أقل من الوضع المثالي، والذي يعتبر عادة نموذج هندسي بسيط (على سبيل المثال، التمويه) لتناسب احظ البيانات (يمكن عرضها). العديد من الاكتشافات المبكرة، مثل حركة مفرطة اللمعية واضحة ، تقتصر عدد قليل جدا (أو حتى واحد) في حالة خط الأساس، استنادا إلى نموذج هندسي بسيط بها. (FIG المصدر: ماكس بلانك)

نبذة عن الكاتب

الطريق إذا، شنغهاي المرصد الفلكي، والأكاديمية الصينية للعلوم الباحث. 2010 و 2011، على التوالي، للحصول على درجة الدكتوراه في كولونيا، ألمانيا، وجامعة المرصد الفلكي شنغهاي، الأكاديمية الصينية للعلوم، 2018 انتخب الدفعة الرابعة عشرة من "الآلاف من خطط،" مشروع الشباب والتوجيه البحث عن الفيزياء الفلكية الراديو عالية الدقة.

اليسار ون ون، المرصد الفلكي شنغهاي، الأكاديمية الصينية للعلوم باحث مشارك، 2014 دكتوراه في الفيزياء جامعة السماوية بكين، وتشارك حاليا في ارتفاع الانزياح نحو الأحمر-النجوم الزائفة البحوث والعلوم عمل الاتصالات.

شكر وتقدير: المؤلف أود أن أشكر الباحث شين تشيانغ شنغهاي المرصد الفلكي وأستاذ في جامعة تسينغهوا Maoshu دي توصية من هذه المادة.

تحرير | لوحة التدقيق | المكسرات البصرية | الماشية شياو وى

END