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章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?

admin 2019-09-15 322人围观 ,发现0个评论

事情视界望远镜由分布在世界各地的多个望远镜组成,但它运作起来好像一个巨型望远镜。接下来让咱们提醒它是怎么运作的。

假如你想更深化、更明晰地调查世界,有一个咱们都附和的抱负战略:制作一个尽可能大的望远镜。但咱们在天文学范畴所树立的分辩率最高的图画,并不是由最大的望远镜拍照到的,而是来自一系列中等尺度的望远镜组成的望远镜阵列:事情视界望远镜。这怎么可能呢?这便是咱们本周要问天文学家伊森的问题,迪特想知道,他问道:

我不太能了解为什么说事情视界望远镜是“一个”望远镜(它的口径宛如地球巨细)。

当你把事情视界望远镜看作是“一个”射电望远镜章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?的时分,我就能够知道由于入射信号的波长和地球的直径,它的角分辩率很高。我也知道时刻同步很要害。

可是阵列中的10多个独立望远镜,非常有助于解说为什么事情视界望远镜的直径被认为是“一个”望远镜。构建M87星系中心的黑洞图画是咱们迄今获得的最显着的成果之一。事情视界望远镜让拍照黑洞图画变得可完成。

图解:亮度间隔联络,以及来自光源的光通量是怎么跟着间隔平方而衰减的。地球的温度与地球到太阳的间隔休戚相关,这决议了太阳每单位面积上有多少能量会射入咱们的星球。由于能量守恒,悠远的恒星或星系才会有显着的亮度。请留意,当光线脱离光源时,光线也会在区域内发散。 (伊桑西格尔《星河之外》)

首要,你要了解光是怎么作业的。当你在世界中看到任何发光物体,其物体所宣布的光在脱离光源后会在球体中发散。假如你只要一个单点的光电勘探器,你依然能够勘探到悠远的发光物体。

但你仍是无法处理问题。

当光(例如光子)像检测器相同碰击到你的勘探点时,你能够记载光的抵达;你能够丈量光的能量、波长和光线的来历。章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?可是你无法得知这个物体的物理特点,比方它的巨细、形状、物理规模,也不知道该物体各个部分的色彩和亮度是否不同。这是由于你只在一个单点上接纳信息。

图解:星云NGC246被称为骷髅星云,由于它有两只发光的眼睛。其实它中心有一对双子星,而较小较暗的那颗恒星与星云密切相关,由于它把星云的外层吹灭了。它间隔地球大约1600光年,坐落鲸鱼座内。你要是把星云看作多个物体的结合,你就需求分辩这些物体的特征,这取决于望远镜的巨细和穿过其低倍镜的光波长的数目。(双子座南边转基因生物基地,特拉维斯校长(大学)。(阿拉斯加)

你想知道你是否正在寻觅一个像咱们太阳相同的恒星,或多光点,就像你在双星体系中发现的那样?为此,你需求在多个地址接纳光。不同于点状勘探器,像反射望远镜上的主镜相同的碟形勘探器能够多方位勘探光。

当光线进来时,它照耀的不是一个点而是一片区域。镜子反射球体中的光线,并集合到一个点上。光源不同的光线会集合到两个不同的方位,不论它们靠的有多近。

图解:一切的反射望远镜都应验了一个原理:用一个大的主反射镜反射入射光,并把入射光集合到一个点上,然后把光分解为数据并记载,或许用来构建图画。这张具象图表说明了赫歇尔-洛蒙诺索夫望远镜体系的光途径。请留意:两个光源不同的入射光会被集合在两个不同的方位(蓝色和绿色途径),条件是望远镜有这样的集合才干。(维基媒体共用用户尤金尼乌斯)

假如你的望远镜比两个物体之间的间隔还要大,你的光学也满足好,你就能处理这个问题。假如你正确构建了设备,你就能够分辩多个物体。这两种光源似乎是彼此差异的。从技能的视点看,三个量之间是有联络的:

1.望远镜到达的视点分辩率

2.望远镜到达的直径

3.以及望远镜能够勘探到的波长。

假如光源间隔比较近,或许你的望远镜比较小,或许你用更长的光波去观测,那么你要处理的问题会越来越具有挑战性。那么,你就很难分辩是否有多个物体,或许你观测到的物体是否有亮堂和漆黑的特征。假如你的分辩率不够高,你只能观测到含糊、难以分辩的单个点。

图解:分辩率受三个要素所约束:望远镜的直径、方针光线的波长和光学设备的质量。假如你具有白璧无瑕的光学设备,你能够一向进步分辩率直到瑞利极限,这样你就能够到达物理中最高的分辩率。(斯宾塞布莱文/公共范畴)

所以,这便是一切大型单碟望远镜的作业根底。光线来自光源,空间中的每一点——乃至同一个物体能够集合出不同的点——发射本身共同的光线。分辩率取决于咱们的主望远镜所能包容的波长数。

假如勘探器满足活络,咱们能够了解某个物体的一切特征。恒星的热和冷区域,如太阳黑子,咱们能够观测到。咱们能够在行星和卫星上看到火山、喷泉、冰盖和盆地等地貌。发光气体或等离子体的规模,以及它们的温度和密度也能够成像。你的望远镜的物理和光学特性决议了你是否能够获得这样的伟大成果。

图解:这三个视图所展示的是:从地球上观测到的第二大黑洞——坐落M87星系中心的黑洞。最上面的图片是哈勃光学望远镜拍照的,左下图片来自NARO的无线电,右下图片是钱德拉的X射线。光学活络度、所用光的波长以及观测所用望远镜的巨细决议了不同视点的不同分辩率。钱德拉X射线观测望远镜的直径只要8英尺(20cm)长,但由于它观测到的X射线波长极短,它的分辩率依旧准章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?确。 (顶部:光学,哈勃空间望远镜/美国宇航局/WIKISKY;左下角:射电,NRAO/超大型阵列(VLA);右下角:X射线,NASA/Chandra X射线章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?望远镜)

但或许你不需求整个望远镜。制作一个巨大的望远镜需求贵重的资金和丰厚的资源,并且实际上只为了两个意章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?图来制作如此巨大的望远镜。

1.望远镜越大,分辩率就越高,这取决于主望远镜上光的波长数。

2.而望远镜的接纳区域越大,可搜集的光就越多,所以你能够比低面积望远镜观测到更小的物体和更精密的细节。

假如你的望远镜反射镜长了“斑驳”——就像你给镜子贴了面具相同——你不再能够从这些方位接纳光了。因而,亮度会约束你的观测物体与望远镜的表面积(聚光面积)成份额地减小。可是该分辩率仍等同于望远镜不同部分的间隔。

图解:2014年Atacama大毫米/次毫米阵列上拍照的气候。ALMA或许是世界上最先进、最杂乱的射电望远镜,它是事情视界限望远镜不可分割的一部分,由于其能够将原行星盘中躲藏的细节构成图画。(ESO/C.Malin)

这便是望远镜阵列所根据的原理。那里有许多的光源,特别是在频谱的无线电部分,是非常亮堂的,所以你不需求在一切的搜集区域制作一个巨大的单碟望远镜。

相反,你能够把望远镜排成阵列。由于来自远处的光线会分散,所以你能够较大规模地搜集光。你不需求把钱都用于制作具有最高光集合才干的巨大望远镜上,可是相同高的分辩率必不可少。那便是巨型射电望远镜的运用原理。世界各地的一系列彼此连接的望远镜让咱们能观测到世界中一些无线电波明晰,但角巨细最小的物体。

图解:图显现了2017年“事情视界望远镜”观测M87星系时所运用的一切望远镜和望远镜阵列的方位。南极望远镜的特别方位使得其无法观测到星系的中心,所以南极望远镜无法拍照M87。这些地址中的每一个望远镜都装备了原子钟和其它设备。(NRAO)

在功能上,考虑以下两种场景没有差异。

1.事情视界望远镜是一面有许多荫蔽带的镜子。这些分布在世界各地的望远镜搜集光并把它们集组成单一的点,然后组成图画,这样就能以最大分辩率去显现方针物体在空间中的不同亮度和特点。

2.事情视界望远镜由单个及单个阵列的望远镜组成,各个望远镜基地会分别记载数据。然后,经作业人员恰当处理和剖析数据然后组成图画,这样就能够显现你所观测的物体在太空的亮度和特点。

仅有的不同是这些望远镜需求运用什么样的技能来观测,但这便是为什么咱们有VLBI科学:非常长的基线干与丈量。

图解:在VLBI中,每个独自的望远镜都能够记载无线电信号,然后将它们送到中心处理器。每个被接纳到的数据点都有非常准确的原子钟,以协助科学家同步接纳正确的观测成果。(公共域名/维基百科用户RNT 20)

你可能会开端有一些张狂的主意,比方将射电望远镜发射到深空,并将它与地球上的望远镜联网来扩展你的基线。这个方案很好,但你有必要知道,咱们之所以不单在相邻的两个点制作事情视界望远镜是有原因的:咱们期望在各个方向都能获得高分辩率。

咱们想要在经纬线上全面掩盖天空,那么在抱负的情况下,为拉远它们的间隔,咱们应该把望远镜放置在一个大的圆环上。当然,这是不可行的,地球有大陆、海洋、城市和国家以及其它鸿沟、界限和约束。但咱们有8个相对独立的站点分布在世界各地(其间7个能够观测到M87),真是非常了不得。

图解:事情视界望远镜发布的第一张图画分辩率为22.5微秒,这样高的分辩率足以保证望远镜能够解析M87中心黑洞的图画。单个望远镜直径有必要到达12,000公里才干有相同的明晰度。仔细调查April5/6图画和April10/11图画两者的不同外观,你会发现跟着时刻的推移,黑洞的特征正在发生变化。这有助于证明同步不同观测值的重要性,而不仅仅是简略地均匀时刻搏杀金三角。(视界望远镜协作)

现在,地球约束了事情视界望远镜的观测才干,望远镜仅限于当时已联网的望远镜和可丈量的特定波长。假如它能章鱼竞彩-“巨型镜子”——视界望远镜是怎样作业的?够发展到以较短的波长观测,并战胜这些波长的大气不透明度,咱们能够用相同的设备到达更高的分辩率。原则上,咱们不需求凭借新的独自望远镜就能以三到五倍的分辩率去观测物体的特征。

经过各地一同进行的这些观测,事情视界望远镜确实像一个单一的望远镜相同运作。它只具有将单个望远镜的聚光才干集合在一同的才干,但望远镜之间的间隔不会影响事情视界望远镜能够到达的分辩率。

经过一同运用许多不同的望远镜(或望远镜阵列)打破地球直径的约束,咱们能够获得解析事情视界望远镜所需的数据。

先进技能的运用、核算才干的进步以及新算法的添加,能够保证数据同步,直到构成一张图画,这让事情视界望远镜能够像单个望远镜相同运作。这并不简略,100多名科学家一同研讨了许多年才到达了现在的成果。

但从光学的视点看,事情视界望远镜和单个望远镜的运用原理是相同的。来自不同光源的光线四处分散,并被事情视界望远镜所接纳。就好像它们被各地的巨大望远镜所接纳相同。要害是咱们怎么将这些数据同步合在一同,并用它来重现实时事情的图画。

现在,事情视界望远镜成功做到了这一点,是时分把咱们的目光转移到下一个方针了:尽可能多地了解咱们能够观测到的黑洞。我和咱们相同刻不容缓。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3.medium-Ethan Siegel

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