科学家如何拍摄黑洞的第一张照片

黑洞非常相机害羞。超大痉挛的黑洞，在星系中心中陷入困境，通过喷出带电粒子的明亮喷射或通过扔掉或剥去附近的恒星来看，使自己可见。关闭，这些庞然大物是通过发光的缺少材料的发光圆盘包围。但由于黑洞的极端重力可防止光线逃逸，这些宇宙重击中的黑暗心脏完全看不见。

幸运的是，有一种方法可以“看到”一个黑洞，而不会凝视着深渊本身。望远镜可以看起来可以看起来是黑洞的事件范围内的轮廓 - 内部的周边可以看到或逃脱 - 反对其吸收磁盘。这就是事件Horizo​​ n Telescope或EHT，在2017年4月，收集现已产生的数据，该数据产生了超大分离的黑洞的第一象，即Galaxy M87内的一个。

“没有什么比拥有形象更好，”哈佛大学天体物理学家AVI Loeb说。虽然科学家在过去的半个世纪里收集了黑洞的大量间接证据，“看到是相信的。”

然而，创造一个黑洞的第一个肖像很棘手。黑洞占据了一个微小的天空，从地球出现非常晕倒。成像M87的黑洞的项目需要在全球范围内工作，作为一个虚拟地球大小的无线电盘，比任何单一天文台都可以自己实现。

将“解决方案”置于分辨率中

在大约65亿倍的太阳质量的大约65亿倍，M87内的超级分配黑洞是没有小的油炸。但从地球上的5500万光距离，黑洞仅在天空中只有约42微颈动态。这比Anorangeon小，月亮会出现在地球上的某人。尽管如此，除了在我们自己的星系中心的黑洞，射手座a *或sgr a * - eht的其他成像目标 - M87的黑洞是天空中最大的黑洞剪影。

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只有一个前所未有的决议的望远镜可以挑选出来这么小的东西。（对于比较，哈勃太空望远镜可以将物体区分开大约50,000微内置的物品。）望远镜的分辨率取决于其直径：菜肴更大，更清晰的视图 - 并获得超大的黑洞的清晰图像需要一个行星大小的无线电盘。

更多关于黑洞

黑洞的第一张照片打开了一个新的天体物理学时代，你需要了解黑洞编辑的历史：活动Horizo​​ n Telescope.

即使是无线电天文学家，谁没有陌生人建造大型菜肴（SN在线：9/29/17），“这似乎有点太雄心勃勃，”Loeb说，他没有参与黑洞成像项目。“诀窍是你没有用天文台覆盖整个地球。”

相反，一种被称为非常长的基线干涉测量的技术结合了一次许多望远镜所看到的无线电波，使得望远镜有效地像一个巨型盘一样地工作。该虚拟盘的直径等于网络中的两个望远镜之间最长距离或基线的长度。对于2017年的EHT，这是距离南极到西班牙的距离。

望远镜，组装！

尽管如此，EHT并不总是如此。2009年，在亚利桑那州，加利福尼亚州和夏威夷的一个只有四个观察者的网络 - 获得了从M87的黑洞中心喷出的一个等离子喷气机的基础（SN：11/3/12，p。 10）。但是小望远镜队伍没有放大力来揭示黑洞本身。

随着时间的推移，EHT招募了新的无线电观察者。到2017年，北美，夏威夷，欧洲，南美和南极有八站。在新人中，Atacama大型毫米/亚颌骨阵列，或阿尔玛，位于智利北部的高原。与美式足球场大的合并盘子面积，Alma收集比其他观察者更多的无线电波。

“Alma改变了一切，”韦斯特福斯特福德的天文学家Vincent Fish说，Mitsford的天文学家说：“你以前几乎没有努力检测的事情，你现在得到了真正的卫生。”

梦之队

这八家无线电观察者在2017年组织共同努力作为一个全球望远镜，称为活动Horizo​​ n Telescope网络。他们的使命：第一次通过叠加黑洞。来自七个的数据用于在Galaxy M87内创建黑洞的图片;由于M87出现在北部天空中，南极天文台看不到它。这是观察者所在的地方以及他们对努力做出的贡献有多少菜肴。

超过他们的部分总和

EHT观察活动最佳地在3月下旬或4月初的10天内运行，当时每种天文台的天气都承诺是最合作的。研究人员最大的敌人是大气中的水，就像雨或雪一样，这可以混淆毫米波长的无线电波，即EHT的望远镜被调整为。

但规划了几个大陆的天气可能是一种后勤头痛。

“每天早上，有一个狂热的电话呼叫和天气数据和望远镜准备的分析，然后我们为夜晚的观察做出了一个/禁止的决定，”学术界的天文学和天文学研究所的天文学家Geoffrey Bower说在希洛，夏威夷。在竞选活动中，研究是挑剔的条件。但朝着奔跑的尾端，他们会采取他们可以得到的东西。

当天空足够清晰地观察时，研究人员将望远镜转向每个EHT天文台的望远镜朝向超迹象黑洞附近，并开始收集无线电波。由于M87的黑洞和SGR A *一次出现在天空中 - 每一个即将上升就像另一套一样 - EHT可以在单一多日运动过程中观察其两个目标之间来回转换。所有八个观察者都可以跟踪SGR A *，但M87位于北极海，超越​​南极站的视线。

独立地，来自每个观察台的数据看起来像废话。但是使用非常长的基线干涉测量技术，这些数据可以揭示黑洞的外观。

这是它的工作原理。图片一对旨在单个目标的无线电盘，在这种情况下，黑洞的环形轮廓。从该戒指的每位发出的无线电波必须略微不同的路径以达到每个望远镜。这些无线电波可以相互干扰，有时彼此加强，有时互相加速。每个望远镜看到的干涉模式取决于戒指的不同部分的无线电波是如何在伸缩望远镜的位置进行交互。

对于简单的目标，例如inpidual恒星，由一对望远镜拾取的无线电波形图案为研究人员提供了足够的信息，以向后工作，并且P out的光线必须产生这些数据。但对于具有复杂结构的源，就像一个黑洞一样，对于图像可以是什么可能的解决方案。研究人员需要更多的数据来解决一个黑洞的无线电波是如何互相交流，为黑洞看起来的更多线索提供更多的线索。

理想的阵列具有尽可能多的不同长度和方向的基线。更远的望远镜对可以看到更精细的细节，因为无线电波从黑洞到每个望远镜的路径之间存在更大的差异。EHT包括南北和东西方向的望远镜对，随着地球旋转而相对于黑洞的变化。

把它全部拉到一起

为了将每个天文台的观察员一起编织，研究人员需要以精确的精确度来记录其数据的时间。为此，他们使用氢气发火机原子钟，每10000万年减少一秒钟。

时间戳有很多数据。“在我们的最后一个实验中，我们以每秒64千兆位的速度记录数据，这约为1000次[速度超过您的家庭互联网连接，”Bower说。

然后将这些数据转移到MIT Haystack天文台和德国波恩的MAX Planck Trantonomy研究所，用于以特殊类型的超级计算机进行处理，称为相关器。但是，每个望远镜站在一个观察活动期间都有数百个数字信息 - 过分送到互联网。因此，研究人员使用下一个最佳选择：蜗牛邮件。到目前为止，没有大型航运事故，但Bower承认邮件邮件总是有点神经包装。

虽然大多数EHT数据在2017年观察活动的几周内到达了Haystack和Max Planck，但南极直到11月就没有出发的航班。“我们没有将数据从南极返回到12月中旬，”鱼类，麻省理工学院干草堆天文学家。

填写空白

结合EHT数据仍然是不够的，以渲染超大的黑洞的生动画面。如果M87的黑洞是一首歌，那么只使用合并的EHT数据成像它就会像收听在钢琴上用一堆破碎的钥匙在钢琴上播放的作品。更努力的钥匙 - 或望远镜基线对 - 让旋律的主旨更容易。“即使你有一些破碎的钥匙，如果你正在播放所有其余的钥匙，你也可以淘汰曲调，这部分是因为我们知道音乐听起来像什么，”鱼说。“我们可以重建图像的原因，即使我们没有100％的信息，是因为我们知道图像看起来像”一般“。

制作音乐

与事件Horizo​​ n Telescope成像一个黑洞就像听一首在钢琴上玩的歌曲，一堆破碎的钥匙。如在此视频中所见，阵列中越多的工作键 - 或望远镜对 - 您有，更清晰的歌曲。最终，有足够的工作钥匙（紫色和蓝色），科学家可以填补空白来获得调整的主旨。以类似的方式，一旦EHT在2017年收集了足够的望远镜对，成像软件就可以填补了望远镜观察中的空隙，以产生黑洞的完整形象。

凯蒂博曼/ youtube

有关任何给定图片可以包含的随机性的数学规则，它应该是多么亮，并且邻近像素看起来的可能性如何相似。这些基本指南可以告知软件如何确定哪些潜在的图像或数据解释，以最有意义地提供。

在2017年观察活动之前，EHT研究人员举行了一系列成像挑战，以确保他们的计算机算法没有偏向创造图像以匹配黑洞应该看起来像什么的预期。一个人将使用秘密图像来生成望远镜的人的虚假数据，如果他们在该来源凝视着什么。然后其他研究人员会尝试重建原始图像。

“有时真正的形象实际上并不是一个黑洞形象，”鱼说，“所以如果你的算法试图找到一个黑洞阴影......你不会做得好。”实践运行帮助研究人员改进了用于呈现M87图像的数据处理技术。

黑洞和超越

所以，M87里面的黑洞终于得到了特写。怎么办？

预计EHT的黑洞观察将有助于回答问题，如一些超级分类的黑洞，包括M87，发射如此明亮的等离子体喷气机（在线SN：3/29/19).了解天然气如何进入并喂红孔，也可以帮助解决一些黑洞在洛伯特早期宇宙中迅速生长的谜团（SN在线：3/16/18).

eht也可以使用，Loeb建议，找到彼此绕过的超现实黑洞对 - 类似于由高级激光干涉仪重力 - 波天文台或高级Ligo检测到2015年检测到的引力波的两个恒星大量黑洞（SN：3/5/16，p。 6）。获得这些二进制文件的人口普查可以帮助研究人员识别激光干涉仪空间天线或丽莎的目标，这将从空间搜索以黑洞等物体的运动（在线SN：6/20/17).

天体物理学家Daniel Marrone表示，EHT除了超大的黑洞之外，亚利桑那大学在图森大学。宇宙中还有很少的东西看起来很小但是发光，因为围绕超大的黑洞的空间。“你必须能够从我们可以探测的真正小巧的天空中获得足够的光线，”Marrone说。“原则上，我们可以阅读外国牌照或某物，但他们需要超级亮。

太糟糕的外星人寻求者。尽管如此，即使EHT是一个单窍门的小马，间谍超大的黑洞也是一个非常整洁的技巧。