亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

北京時間4月10日21點整,天文學家召開全球新聞發佈會,宣佈首次直接拍攝到黑洞的照片。昨晚朋友圈被它刷屏,這個“亮點”要跟,讓它“更亮”,下面假裝自己“懂”,給大家“科普”下,傳說中的“一本正經”的“胡說八道”。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

該黑洞位於代號為M87的星系當中,距離地球5300萬光年,質量相當於60億顆太陽。物質環繞在黑洞周圍,組成一個盤狀結構,叫“吸積盤”。吸積盤內的物質圍繞黑洞高速旋轉,相互之間由於摩擦而發出熾熱的光芒,包括從無線電波到可見光、到X射線波段的連續輻射。

吸積盤處於黑洞“視界”的外部,因此發出的輻射可以逃逸到遠處被我們探測到。所以,拍攝到的不是黑洞本身,而是利用其邊界上的物質發出的輻射勾勒出來的黑洞的輪廓。

射電望遠鏡則是利用射電波進行觀測的望遠鏡,它是電磁波譜的一部分,頻率範圍從高頻的300GHz到低頻的30Hz,相應的波長範圍從1mm到10000km。

毫米波:波長1~10mm,頻率300~30GHz;

亞毫米波:波長0.1~1mm,頻率3000~300GHz;

太赫茲波:波長0.03~3mm,頻率0.1THz~10THz;

可見光,

波長範圍從400nm到750nm,頻率範圍從400THz到750THz。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

望遠鏡的分辨率主要取決於兩個參數,波長和口徑:口徑一定,波長越短分辨率越高;波長一定,口徑越大分辨率越高。

事件視界望遠鏡

將口徑提高到地球的尺寸

天文學家為了觀測黑洞視界邊緣上的物理過程,動用了分佈在全球的8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,這些望遠鏡組成了一個虛擬的,口徑接近整個地球的望遠鏡,這座虛擬的望遠鏡,稱為“事件視界望遠鏡”。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

1962年,英國劍橋大學卡文迪許實驗室的馬丁.賴爾(Martin Ryle)利用基線干涉的原理,發明了綜合孔徑射電望遠鏡,大大提高了射電望遠鏡的分辨率。

基本原理是:用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波,兩束波進行干涉,其等效分辨率最高可以等同於一架口徑相當於兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

甚長基線干涉測量原理一樣,只是望遠鏡之間分佈的更加遙遠,無法利用電纜或光纜連接,而是把信號分別記錄在各測站的儲存器上,不用公共的時鐘,而是各測站有自己的時鐘,通常採用精度非常高的原子鐘,1億年不會出現1秒誤差的這種。觀測結束後,再將觀測站的儲存設備送到數據處理中心。理論上基線的長度就幾乎不受限制。當然,在地球上則受限於地球的尺寸。

我們來做一個計算

粗略再粗略

M87星系的這顆黑洞的質量相當於太陽質量的60億倍,視界直徑約360億公里,距離地球約5300萬光年。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

是不是想問14.8微角秒有多小?我們知道一元硬幣直徑25mm,假如我們人眼也可以達到如此高的分辨率,那我們就可以看清月球上掉的一元硬幣了(地球距離月球平均38萬公里)。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

下圖中的公式,地球直徑(望遠鏡口徑)用1萬公里,角度用上圖中的7.1796*10的-11次冪帶入,計算得出電磁波波長約為0.8mm。這樣看來,標題用“8座毫米/亞毫米波”還是準確的。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

看到這裡,你可能要說,可見光的頻率更高,波長更短,按道理應分辨率更高,這就對口徑大小要求降低了啊,或者可以看的更遠或者近一點小的“黑洞”了啊。

計算:8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡,真能“看清黑洞”嗎?

有道理,但是我要搬出電磁波在自由空間的拓展損耗公式了,先且不說可見光波長短,是否都被星際塵埃或氣體擋掉了,看到拓展損耗隨著頻率的變高而加大,望遠鏡的靈敏度估計是滿足不了,光學望遠鏡還是用來看看稍微近點的吧,比如上百萬光年。這個黑洞可有5300萬光年之遙啊!


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