本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
事件視界望遠鏡(EHT)的天文學家用來觀測黑洞的技術被稱為甚長基線干涉測量技術,或 VLBI,但它也可以被稱為極度延遲滿足天文學:在觀測執行結束後,可能需要數週或數月才能 выяснить 望遠鏡陣列是否真的觀測到了任何東西。我們稍後會解釋延遲的原因。不過,首先,先說一些新聞:新升級和部署的 EHT 站點確實開始看到東西了。
現在,構成事件視界望遠鏡陣列的大部分必要裝置已經安裝在望遠鏡中——手工製造的高頻低溫接收器;全新的高頻寬數字訊號處理器和記錄器,每晚可以吞噬數 TB 的資料;原子鐘;以及將這些東西連線在一起的其他關鍵部件——現在的訣竅是讓望遠鏡協同工作。這需要同時進行觀測,並在成對站點之間尋找共同的探測結果,一對一對地進行。
當射電干涉儀中的兩臺望遠鏡做出共同探測時——當兩臺望遠鏡都記錄到完全相同的光波時——天文學家說他們在兩個站點之間“找到了條紋”。“找到條紋”並不是一個直觀的概念,我們稍後會解釋它的含義,但首先,讓我告訴你 EHT 到目前為止發現了哪些新的條紋。
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1. 南極望遠鏡和智利的阿塔卡瑪探路者實驗之間的條紋。今年 1 月,天文學家利用這兩個站點觀測了人馬座 A* 和半人馬座 A,這是一個距離地球 1000 萬光年的射電星系,其核心包含一個質量為 5500 萬個太陽的黑洞。今年 4 月,研究小組宣佈,在 1 月的觀測期間,這兩個站點成功地對兩個黑洞進行了共同探測。
2. 到墨西哥大型毫米波望遠鏡的條紋。
3. 到莫納克亞山上的亞毫米波陣列(SMA)的條紋,史密森天體物理天文臺的喬納森·溫特勞布領導的團隊剛剛為該陣列配備了一個新的相關器——基本上,這是一種機器,可以將 SMA 小天線的訊號關聯起來,並將它們加在一起,就好像它們來自一個天線一樣。
4. 阿塔卡瑪探路者實驗和阿塔卡瑪大型毫米波陣列(ALMA)之間在 1 月份產生的條紋,證明後者——世界上最大、最靈敏的同類儀器——可以進行甚長基線干涉測量,而這並非其最初的設計目的。
“條紋”一詞指的是兩條光束相交時形成的干涉圖案。干涉條紋的概念可以追溯到楊氏雙縫實驗。當這些波“同相”時——也就是說,當波峰與波峰對齊,波谷與波谷對齊時——它們會疊加在一起,產生更強的訊號。當它們異相時,它們會相互抵消。結果是一系列明暗交替的條紋。
我打電話給 EHT 主任謝普·多爾曼,請他解釋一下“條紋”一詞在 VLBI 中的確切含義。我將完整引用他的回答
“‘條紋’實際上是一個歷史參考。我通常認為它是一種干涉圖案。它是光的相干合併,它告訴你一些關於光線來源的資訊,因為它產生的圖案。將雷射照射到兩條細縫上,螢幕[在這些細縫後面]的不同點會變亮和變暗,因為在某些點,路徑長度差是波長的某個分數。當路徑長度是整個波長時,你會得到相長干涉。當它不是整個波長時,你會得到相消干涉。你能從中瞭解到什麼?如果你知道從狹縫到螢幕的距離,你就可以知道狹縫之間的距離。”
“透過 VLBI,我們試圖找到來自黑洞的球面波前的干涉圖案。將黑洞想象成雙縫;它正在整個宇宙中產生干涉圖案或條紋,直到我們地球。如果我們能夠測量這些干涉圖案——繞著波前走一圈,說這裡有相長干涉,這裡有相消干涉——我們就可以拼湊出黑洞的樣子。正是黑洞的形狀和結構形成了干涉圖案。基本上,我們從世界各地收集資料,並比較資料,這告訴我們圖案是什麼樣的。整個 VLBI 網路都在疊加那個球面波。”
一旦你理解了疊加在地球不同站點收集到的波所涉及的內容,就很容易理解為什麼獲得條紋需要這麼長時間。
“為了進行測量,你必須非常精確地瞭解地球的幾何形狀。你必須對齊在智利、加利福尼亞和夏威夷等地收集到的波,然後回放它們並進行比較。當你回放它們並看到智利和加利福尼亞的訊號之間存在一些共性時,你就會說‘啊哈,我們有條紋了’。我們能夠驗證儀器是否工作。”
之所以這麼難做到,原因是:“我們不知道[找到共同探測結果的]確切頻率,因為地球在旋轉。一個地方獲得的訊號會比另一個地方略微多普勒頻移。此外,還有延遲,因為不同地方的大氣層不同。另外,我們不知道地球上望遠鏡的位置精確到毫米級”,而這正是事件視界望遠鏡收集的光的波長。“我們知道望遠鏡的位置精確到 10 釐米以內,因為這是我們從 GPS 獲得的精度。光在一納秒內傳播大約一英尺。因此,如果我們偏差了三四五英尺,我們就必須四處搜尋才能找到條紋在哪裡。同樣,由於地球在旋轉,站點之間的頻移可能是幾毫赫茲,或千分之一赫茲。延遲很大程度上來自不同的來源。可能是望遠鏡結構的膨脹。可能是我們一開始就不知道望遠鏡在哪裡。也許在光束的某個地方插入了什麼東西。”
每次我聽到用這些術語解釋 VLBI 時,我都會驚訝於這項技術竟然奏效。但它確實奏效。到目前為止,至少,事件視界望遠鏡中新升級的望遠鏡似乎也奏效了。