太空望远镜可以揭示黑洞的光子环

不同的光子路径会产生光层。 图片来源:George Wong (UIUC) 和 Michael Johnson (CfA)

尽管进行了数十年的研究,但黑洞仍然是有史以来研究过的最强大、最神秘的天体之一。 由于涉及到极端的引力,没有任何东西可以逃脱黑洞的表面(包括光)。 因此,对这些物体的研究传统上仅限于观察它们对附近物体和时空的影响。 直到 2019 年,事件视界望远镜 (EHT) 才拍摄到第一张黑洞图像。

这一壮举之所以成为可能,要归功于一种称为超长基线干涉测量法 (VLBI) 的技术,该技术使科学家能够看到 M87 星系中心超大质量黑洞 (SMBH) 周围的明亮环。 国际天文学家团队的一项新研究表明,基于空间的干涉测量任务怎样揭示隐藏在黑洞视界面纱中的更多秘密。

该研究由超长基线干涉测量欧洲研究基础设施联合研究所 (JIVE ERIC) 和代尔夫特理工大学的研究员 Leonid Gurvits 领导。 来自射电天文学研究所 (INAF)、荷兰空间研究所 (SRON)、熨斗研究所计算天体物理中心、哈佛-史密森天体物理中心 (CfA)、黑洞倡议和多所大学和研究机构。

学分:天文学演员

正如他们在研究中指出的那样,天文学中的超高角分辨率一直被视为通往重大发现的门户。 在这个被称为干涉测量的过程中,多个天文台从一个物体收集光线,否则这些光线很难分辨。 近年来,天文学家依靠 VLBI 来探测毫米和亚毫米波长的辐射。 该研究的合著者、JIVE ERIC 的研究员 Zsolt Paragi 博士通过电子邮件说:“总的来说,天文学中的高角分辨率成像通过三种方式实现:通过增加望远镜的尺寸,观察较短波长的光,并消除(或至少补偿)地球大气层造成的干扰。

“射电天文学率先开发了基于干涉测量的成像技术,当来自远距离不同望远镜的信号无缝(用我们的术语:相干)组合时。在这种情况下,决定仪器分辨能力的最终因素是望远镜之间的距离,我们称之为基线。”

一个好的 example 其中包括事件视界望远镜 (EHT),该望远镜于 2019 年 4 月 10 日拍摄了超大质量黑洞 (M87) 的第一张图像。随后在 2021 年拍摄了半人马座 A 星系核心区域和无线电的图像从中散发出来的喷气式飞机。 然而,这些图像只不过是微弱的圆圈,代表了被困在 SMBH 事件视界内的光——没有任何东西(甚至光)可以从中逃脱的边界。

尽管如此,EHT 获得的 M87 图像首次直接证实了 SMBH 的存在,并且是第一次对围绕其的阴影进行成像。 这张图片还提供了超大质量黑洞周围下落物质的视图,这些物质被极强的引力扭曲了。 帕拉吉博士说,近年来,VLBI 领域出现了其他发展,这些发展让人们对即将发生的事情有所了解:

“近年来的另一个关键成果是证明了神秘的毫秒级射电闪光的宇宙起源,我们称之为快速射电暴。由于其出色的高分辨率成像能力,欧洲 VLBI 网络提供了迄今为止最高精度的天空定位这些非常短暂的信号,即使使用最现代的干涉仪也很难捕捉到。

“这些厘米波长的图像不仅可以显示信号来自哪个星系,而且还可以将信号的位置缩小到星系内的小区域,这对于理解这一现象至关重要。”


M87* 的光子环模拟。 学分:安德鲁·查尔等人

根据天文界的说法,下一个合乎逻辑的步骤是捕获光子环。 在这个区域,引力如此之大,以至于光子被迫在轨道上传播。 在 EHT 图像中,来自这个环的大部分光在到达地球之前就被散射了,从而产生了相对模糊的图像。 为了在他们成功的基础上再接再厉,下一代 EHT (ngEHT) 将增加 10 台新望远镜,同时对那些已经成为网络一部分的望远镜进行现代化改造。

然而,根据帕拉吉博士的说法,通过基于空间的 VLBI 阵列,天文学家将能够提供 SMBH 周围的光子环甚至事件视界本身的最详细图像。 为了他们的研究,该团队探讨了未来 VLBI 太空望远镜的潜力,称为太赫兹天体物理学探索和放大 (THEZA),这是 Gurvits、Paragi 和许多撰写这篇最新论文的团队成员。

本文是作为 ESA Voyage 2050 的一部分提交的,该计划公开征集将在 2035-2050 年时间线内进行的大型科学任务提案。 就像在光学、红外线、X 射线、无线电和其他光谱部分研究宇宙的太空望远镜一样,这一概念需要天基干涉仪来研究 SMBH 附近的时空物理学。 正如 Paragi 博士所描述的:

“从太空以非常短的毫米到亚毫米波长进行观测将为 VLBI 打开新的维度。基于 THEZA 概念的任务的优势有两个。一方面,能够低于事件的波长地平线望远镜 [or the ngEHT],一个新的超大质量黑洞群体将可以用于解决黑洞阴影成像,这对于那些仪器来说是模糊的。 此外,它还将允许对黑洞自旋和时空特性进行独特的探测。”

该团队审查了望远镜的所有元件,包括天线系统、接收器、低噪声放大器、本地振荡器、混频器以及数据传输和处理。 他们发现基于 THEZA 概念的干涉仪将实现超高角分辨率天文学任务的三个主要目标。 简而言之,它将不受地球大气层的干扰,并以比以往更高的频率和更长的基线观察黑洞。

太空望远镜可以揭示黑洞的光子环
银河系中心超大质量黑洞的图解。 学分:NRAO/AUI/NSF

“通过研究由以下组成的独特系统 close 帕拉吉博士补充说,由于这对超大质量黑洞,THEZA 可能会揭示导致宇宙黎明时黑洞加速增长的过程,这也对星系演化产生了鲜明的影响。“更重要的是,THEZA 将扩大我们的用于详细的黑洞阴影测量的视野。 这将有助于更好地理解引力,这一点很重要,因为引力在塑造宇宙方面发挥着重要作用。”

未来几年,下一代天文台将依靠改进的探测器和数据传输技术,为宇宙中一些最神秘的物体提供更详细的图片。 其中包括计划中的 Spektr-M 太空望远镜,预计将于 2030 年发射。该仪器将配备一个 10 m(33 英尺)的主镜,能够观察亚毫米到远红外波长的宇宙.

詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 于 1 月到达其轨道目的地 (L2),并且(截至 4 月下旬)几乎冷到可以开始运行,它将很快进行自己的干涉测量研究。 作为近红外成像仪和无狭缝光谱仪 (NIRISS) 仪器的一部分,孔径掩模干涉仪 (AMI) 将把 JWST 分段反射镜的全孔径变成干涉阵列。

随着美国宇航局计划将宇航员送回月球(作为阿尔忒弥斯计划的过去)和其他太空机构开始进行月球探索计划,甚至有人提议在月球的另一端建造 VLBI 望远镜——在那里他们可以自由大气或光的干扰。