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能看清楚黑洞邊界的「視界事件望遠鏡」登陸南極,本所出借高精準原子鐘協助VLBI調校

posted Apr 21, 2015, 7:46 PM by Lauren Huang   [ updated Apr 22, 2015, 11:25 PM ]
圖說:由中研院天文所提供的氫邁射原子鐘(H Maser Clock)已運抵南極並協助完成 VLBI 干涉測試,放置於南極望遠鏡旁實驗室中運作,如圖示。原子鐘重100公斤,實際大小約60公分寬、90公分高,利用氫原子能階躍遷輻射出來的電磁波去控制校準石英鐘,外面加了一個恆溫箱。本次校準也成功驗證這項高精密儀器在極地環境中的應用。Photo Credit: Steffen Richter, Harvard University

圖說:SPT望遠鏡和APEX望遠鏡於2015年一月第一次成功完成VLBI干涉測試。這兩個望遠鏡同時觀測了已知的兩個黑洞--位於銀河系的人馬座A*和位於半人馬座A星系中的黑洞,相隔兩地的望遠鏡訊號合成了一個 8000 公里寬的洲際望遠鏡。新近獲得南極最大天文望遠鏡"SPT"加入的「事件視界望遠鏡」("EHT")是個等同於地球大小的擬真望遠鏡。用干涉技術讓許多望遠鏡結合、運作起來就像一個大望遠鏡一樣,此望遠鏡並不以實際具象的方式存在,究竟多大則由望遠鏡的間距來決定。本次EHT擴展至南極的新進展,對於準備拍下銀河系中心超大質 量黑洞事件視界詳細影像的天文學界來說,是向前又跨了一大步,這個特長基線干涉儀(VLBI)的調校所要求的精密度極高,由中研院出借高度精準的氫邁射原子鐘(H Maser Clock)來協助。(圖片: Dan Marrone/UA)

圖說:口徑10米寬的南極望遠鏡位置在美國國家科學基金會的Amundsen-Scott南極站,2015年1月加入了「事件視界望遠鏡」全球陣列。(Photo: Dan Marrone/UA)

新聞摘要:
獲南極望遠鏡新加入其行列的「事件視界望遠鏡」,是個
等同於地球大小的概念式望遠鏡。向南極跨出的這一步,對準備拍下銀河系中心超大質量黑洞事件視界詳細影像的程來說,是向前又一大步。所謂「事件視界」,相當於黑洞勢力範圍的國境邊界。如果廣義相對論正確,黑洞本身是看不見的,因為在巨大引力下,連光也無法逃逸出黑洞以外,進入「事件視界」後即與宇宙失去一切聯繫。

目前為止天文學家已建置一個等同於地球大小的擬真望遠鏡,準備為銀河系中心超大質量黑洞的事件視界取得影像細節,最新進展已將觀測儀器架設在南極並完成干涉測試成功,許多國家參與本計畫,由亞利桑那大學Dan Marrone負責主導,VLBI精密調校所需原子鐘由本所(中研院天文所)外借。(VLBI全名為特長基線干涉儀,Very Long Baseline Interferometry)

包括亞利桑那大學天文系及Steward Observatory天文臺助理教授Marrone 等一行人,2014年12月前往美國國家科學基金會的Amundsen- Scott南極站,將南極望遠鏡(South Pole Telescope,簡稱SPT)納入「事件視界望遠鏡」(其原全名為 Event Horizon Telescope,簡稱EHT在望遠鏡建置史上,EHT是最大的擬真概念式望遠鏡,建置方法是結合地球上許多個望遠鏡,使之運作上像就像單一望遠鏡一樣,未來EHT拍攝的圖像,將首度呈現人類前所未見的黑洞細節。

運用了所謂特長基線干涉技術EHT望遠鏡是陣列型的電波望遠鏡。大家都知道,望遠鏡越大,便能從事更銳利的觀測,而干涉技術則是讓許多望遠鏡結合、運作起來就像一個大望遠鏡一樣的關鍵。像這樣的望遠鏡並不以實際具象的方式存在,它究竟多大?望遠鏡的間距決定!這距離稱為「基線」。

SPT完成VLBI干涉後,EHT望遠鏡算是橫跨了整個地球,望遠鏡成員位置包括美國亞利桑那州(Mount Graham山上的次毫米波望遠鏡)、加州、夏威夷、智利、墨西哥、西班牙,最近擴增到南極,新的基線距離將為陣列增加2~3倍解析力,計畫負責人Marrone說:「這對EHT的終極目標至關重要。無論是為了確認事件視界的存在,也就是一探所謂黑洞『邊緣』之究竟,或測試愛因斯坦廣義相對論等性質比較廣泛的目標,取得黑洞細微細節圖片都不可或缺。完整的EHT陣列應該能勝任這些任務。」

EHT主要鎖定目標是銀河系中心黑洞,又稱為人馬座A*A*發音為“A”)。雖然這個黑洞質量是太陽的400萬倍,對天文學家來說,它實在是個很小的觀測目標。實際上,人馬座A*這個黑洞的大小還不及水星的公轉軌道,而距離地球卻有26,000光年,要觀測這個黑洞的事件視界,所需視力相當於從加州要能看得到紐約的一分錢硬幣上的鑄造日是哪一年。

EHT解析力很高,遠在哈伯望遠鏡1000 倍之上,相當於能看得到氣體漩渦狀捲入事件視界並在那裏驟然消失的一幕,因進入事件視界後從此即與宇宙失去任何聯繫。如果廣義相對論正確,則黑洞本身是看不見的,因為在巨大引力下,連光也無法逃逸出黑洞以外。

自從愛因斯坦首度以廣義相對論提出了黑洞存在的假設,此後幾十年的天文觀測都支持了這種假設。即便不是所有星系都有一個黑洞,據信至少在大部分星系中心都有一個超大質量黑洞,還有其他較小的黑洞由垂死恆星形成,散布在眾恆星中。銀河系已知的小黑洞,質量在太陽的 5 10 倍左右者,大約有25個,這些宇宙中的怪咖,人類從來未曾能直接觀測得到或取得其影像。

280 25公尺高的SPT 望遠鏡坐落於南極的Amundsen-Scott極地高原上,有 3,100 公尺的海拔高度SPT由美國國家科學基金會的極地計畫司興建並提供後勤支援。該司總管美國南極計畫,總協調美國在地球最南端大陸上從事的所有研究計畫。

SPT 10米,運作於毫米波波段,能製作宇宙微波背景輻射的高解析圖像。這種微波輻射是宇宙大霹靂殘留餘輝,由於SPT地理位置在地球自轉軸上、高海拔極地空氣中又幾乎少見水汽、並且方便進行長期觀測,可以探討的宇宙學重大議題包括有暗能量性質、暴脹的過程等;所謂暴脹現象指的是,據信,在大霹靂後不到一秒的瞬間,使宇宙呈指數倍速膨脹的一種現象。

為將SPT納入 EHTMarrone和團隊成員新建構了一個特殊的相機、能偵測到微波落在望遠鏡上的微小撞擊。追蹤微波抵達各地時間需要極精確的原子鐘,這是由中研院天文及天文物理研究所提供。在比較了世界各地望遠鏡記錄下來的微波抵達時間後,天文學家能調校巨大望遠鏡的時間,使它們同步。追蹤微波所需的高速記錄設備由史密松天文臺和麻省理工學院的Haystack天文臺提供,因記錄追蹤這些宇宙微波而產生的資料量每天的新增將近 200 TB,資料量極龐大。

史密松天文臺Laura Vertatschitsch 表示:「將EHT擴展到南極意味著記錄資料和獲取資料的系統速度必需更快,原系統必須改良。」由Laura和團隊成員改良後,新的數位化後端系統比舊系統快4倍,更大的取樣率也使所有望遠鏡靈敏度都提升為原來的兩倍。

初步觀測階段,Marrone團隊用兩個已知存在的黑洞來熟悉儀器操作,一為銀河系的人馬座A*,另一個是位於遙遠的1000 萬光年外、半人馬座 A星系裡的黑洞。進行實驗的方式是讓位在南極的SPT 和位在智利的APEX望遠鏡對這兩個目標進行同步觀測,各種技術瓶頸一一克服後,取得前所未有的半人馬座A 高解析觀測資料(但是兩組一對的望遠鏡所獲的干涉資料不易轉換成圖像)。

圖說:APEX望遠鏡位於智利安地斯山脈查南托高原上,海拔超過5,300公尺。圖中天空隱約可見銀河系盤,銀河系中心是在望遠鏡左側,那也是窩藏了銀河系中心超大質量黑洞位置。 (Photo: ESO/B. Tafreshi/TWAN/twanight.org)

在團隊中負責組建及安裝 SPT EHT 接收機的亞利桑那大學博士生Junhan  Kim 說:「VLBI干涉法在技術上帶來很大挑戰,相隔兩地的SPTAPEX的整個元件系統都必須完美無誤地工作,然後我們才可能偵測得到要觀測的目標,這次我們已知道怎樣把SPT整合進來,接下來迫不及待也想看到的是,今後從這10,000 英里以外的望遠鏡可以多學到哪些新事物。」

下一步他們準備將 SPT 納入EHT年度實驗中,EHT每年會連結全球各地望遠鏡一次。展望下一年度,已經有好幾個新望遠鏡準備加入 EHT,這意味著接下來的EHT實驗無論涵括的地理範圍或所涉及的望遠鏡數目都將是規模最大。

Laura Vertatschitsch 還表示:「多增加了 SPT ,為EHT提供非常重要的關鍵地理位置。南極這裡和其他望遠鏡站臺不同,要是在其他地方的話,觀測目標每天都從地平線升起、落下,落到地平線以下時就無法觀測,然而從南極位置望向人馬座 A*,無論什麼時候都一直能看得見,所以SPT不只提供最好的解析力,它也確保無論哪個VLBI的望遠鏡成員當中,只要有一個看得到人馬座 A*時,至少另外都還有一個協力望遠鏡也處於可得見人馬座 A*的位置,就是SPT。」

本計畫的經費來源:This work was funded through NSF grants AST-1207752 to Dan Marrone; AST-1207704 to Sheperd Doeleman at MIT's Haystack Observatory; and AST-1207730 to John Carlstrom at the University of Chicago.

南極望遠鏡的管理單位是:An international research collaboration led by the University of Chicago manages the South Pole Telescope. The NSF-funded Physics Frontier Center of the Kavli Institute for Cosmological Physics, the Kavli Foundation and the Gordon and Betty Moore Foundation provide partial support.


APEX 望遠鏡的管理單位是:The APEX telescope, located in Chile's Atacama Desert, is a collaboration between the European Southern Observatory, the Max Planck Institute for Radioastronomy (MPIfR), and Onsala Space Observatory in Sweden.

Contacts:
Dan Marrone, UA Steward Observatory dmarrone@email.arizona.edu
John Carlstrom, University of Chicago jc@kicp.uchicago.edu
Shep Doeleman, MIT Haystack Observatory dole@haystack.mit.edu
Alan Roy, Max Planck Institute for Radioastronomy aroy@mpifr-bonn.mpg.de
Anton Zensus, Max Planck Institute for Radioastronomy azensus@mpifr-bonn.mpg.de
(黃珞文翻譯,周美吟博士、曾耀寰博士、汪仁鴻博士審校)
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