捕捉到黑洞的图像后，下一步是什么？

December2017

捕捉到黑洞的图像后，下一步是什么？鸣谢:朱迪·布洛姆奎斯特/哈佛大学职员

据哈佛大学（克莉·西蒙）：由哈佛大学和史密森尼天体物理中心(CfA)领导的一组国际研究人员在四年前实现了曾经不可想象的事情:使用开创性的望远镜捕捉黑洞的图像。

上个月，这些研究人员、工程师和物理学家中的一些人聚集在哈佛大学，考虑并开始起草下一步的计划:更密切地研究环绕发光橙色黑洞的光子环。该任务被称为事件视界探索者(EHE)，该小组希望它能提供对位于星系中心的黑洞的更多了解。

这个耗资3亿美元的项目研究了空间和时间的性质，它建立在2019年事件视界望远镜(EHT)项目的成功基础上，当时研究人员拍摄了第一张黑洞的照片，这是一个非常小的焦点，“天空中最大的一个只有一臂长的原子大小，”CfA的天体物理学家迈克尔·约翰逊说。

“我们现在试图做的是启动一项太空任务，将EHT图像的清晰度提高10倍，”约翰逊说。这将揭示光子环——由围绕黑洞旋转的光形成的环。约翰逊将这些描述为类似于“一个分层的婚礼蛋糕，每当光线经过时，它就会堆积出一个更清晰的环。”目前，“我们在EHT的图像中看不到这些。它们太窄了，无法与黑洞附近的其他光线区分开来，”他说。

这是一项艰巨的任务，但对于最近聚集的70多名研究人员来说，这个项目开始看起来可能了。“我们试图弄清楚是否有什么精彩的表演。我们有什么理由不能在未来10年内推出这款产品？令人兴奋的是没有，”特许金融分析师协会的系统工程师贾尼斯·休斯顿说。“我们认为我们可以继续加大油门，在未来十年内真正建成。”

这个概念似乎来自好莱坞的太空漫游。“探测光子环需要在航天器上记录大量数据。我们计划使用激光将相当于整个国会图书馆的信息传输到地球，”约瑟夫·佩莱格里诺大学科学和物理学史教授兼哈佛大学黑洞计划主任彼得·加利森说。


然而，回报可能是曾经看似不可能的事情的有力证明。举例来说，光子环可以证明星系中心的黑洞在旋转，并且在旋转的时候，黑洞会拖着它们的时空一起旋转。时空是一个数学模型，描述了宇宙的四维结构——长度、宽度、高度和时间。

“如果黑洞在旋转，它会扭曲光子环的形状，将其挤压成椭圆形，”Galison说。如果EHE能够测量光子环，“这将是对旋转黑洞弯曲光路径效果的坚如磐石的测量。”

在EHE可以发射之前，它面临着巨大的挑战，从建造冷却到接近绝对零度的敏感接收器来记录射到望远镜上的光，到发射直径几米、表面非常精确的碟形天线。“在美国宇航局，我们一直在推动工程的界限，探索宇宙的全新部分，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的任务和仪器科学家Eliad Peretz说。“这是一个将许多不同系统中的突破性技术结合在一起的机会，让我们比以往任何时候都更接近宇宙的边缘。”

多米尼克·张(Dominic Chang)正在哈佛大学格里芬艺术与科学研究生院学习物理，他是推动该项目的理论物理科学家之一。在过去的两年里，他一直在建立基于物理的模型，这些模型“计算速度很快，可以拟合数据来描述时空的三维几何结构。”在研讨会期间，Chang专注于EHE的科学应用，提出了工程师能够合理构建的建议。

“基本上，我们想提出一套我们知道可以通过大量模拟来支持的想法。这个研讨会引发了一连串的新想法。很高兴能成为这个项目的一部分，并为与潜在的新实验相关的突破性进展做出贡献，”常说。

“这项任务将对美国天文学界在过去十年的调查中确定的多个优先领域产生深远的影响，”美国宇航局戈达德宇宙起源首席科学家彼得·库尔琴斯基说。“这是一个非同寻常的机会，让我们最终了解星系中心的巨大黑洞是如何形成的。”

FAS科学学院院长克里斯托弗·斯塔布斯(Christopher Stubbs)在研讨会开始的一天发表了讲话，在题为“走向大:大项目和大合作的科学家指南”的演讲中为团队提供了指导。

“这个小组和其他小组一起，成功地完成了对黑洞成像这一矛盾的事情，这很了不起，”他说。“利用这一点并继续前进意义重大。”