2023-8-2 从黑洞成像浅谈协作与积淀

主讲人：史生才 中科院紫金山天文台

• M87星系中心的超大质量黑洞（65亿倍太阳质量）

• 银河系中心黑洞照片（400万倍太阳质量）（EHT 1.3mm）

• 2020年诺贝尔物理学奖：罗杰·彭罗斯、赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹；罗杰·彭罗斯证明了黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果，他对黑洞的研究做出了重要的贡献。赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹通过观测银河系中央的超大质量天体，发现了黑洞的存在。这是对黑洞研究的重大突破，对宇宙学研究产生了深远的影响。

• 银河系中心超大质量天体的发现：通过多种观测手段，包括红外、X射线、射电等多个波段，天文学家们发现人马座A周围有一些非常奇特的现象，如一些气体和物质的喷流，以及一个非常明亮的X射线源。这些观测结果表明，人马座A可能是一个超大质量黑洞，这是人类首次在银河系中心发现这样的天体。

• 自适应光学系统（AO）：通过实时测量和校正大气扰动、光学像差和其他干扰因素，以获取高质量的图像。通过使用波前传感器测量光线在传输过程中的扰动，然后使用波前控制器将这些扰动转换为指令，调整镜面的面形，最终实现波前畸变的补偿和图像质量的提升。

• 天文望远镜观测与人眼观测区别

  • | 观测方式 | 观测距离 | 观测细节 | 观测颜色 |
    | :------------: | :--------------: | :------: | :--------------------: |
    | 人眼观测 | 几公里到几十公里 | 粗糙细节 | 可见颜色 |
    | 天文望远镜观测 | 数百公里到数光年 | 精细细节 | 红外、可见光、紫外线等 |

• 不同波段宇宙颜色区别

  • 波段	可见内容
    可见光	星体、星云、行星、恒星、彗星、星系、银河系等
    红外线	恒星形成、行星大气的热辐射、宇宙微波背景辐射等
    紫外线	星球表面、恒星、星系、类星体等
    X射线	高能天体现象，如活动星系核、黑洞、超新星爆炸等
    γ射线	高能天体现象，如活动星系核、伽马射线暴等

• 常见大口径射电望远镜

  • \(\boxed{阿雷西博}\)
  • \(\rm FAST\)
  • \(\rm ALMA\)
  • \(\boxed{哈勃望远镜}\)，詹姆斯·韦伯望远镜

• 空间分辨率

  • \(\theta=\dfrac\lambda D\),其中\(\lambda\)为观测波长，\(D\)为观测直径
  • 提高空间分辨率：干涉阵技术（VLBI）：利用多个天线构成一个阵列，通过精确的相位差控制，实现射电波的干涉相长或相消，从而增强信号的信噪比。
  • 中国VLBI系统由多个射电望远镜组成，分布在中国的不同地点，形成一个干涉测量网。该系统的主要组成部分包括：
    1. 上海天文台：负责系统的数据处理和科学研究工作，同时也是系统中心站之一。
    2. 乌鲁木齐天文站：是中国最高的天文观测站，位于新疆乌鲁木齐市南山，拥有两台25米射电望远镜。
    3. 北京天文台：是中国最大的天文观测机构，位于北京郊区，拥有多台射电望远镜。
    4. 云南天文台：负责南中国海的观测，拥有两台25米射电望远镜。
    5. 国家授时中心：负责时间的校准和传递，为系统提供精确的时间基准。
    6. 长春人造卫星观测站：负责观测人造卫星，为系统提供定位精度。

• \(\rm EHT(Event\ Horizon\ Telescope)\)系统

  • 频率：\(\rm 230\ GHz\)
  • 西班牙内华达山脉望远镜\((\rm IRAM)\)：位于西班牙加那利群岛，海拔2850米。
  • 毫米波天线望远镜\((\rm MAT)\)：位于美国亚利桑那州格雷厄姆山，海拔2900米。
  • 派罗峰望远镜\((\rm CARMA)\)：位于美国加利福尼亚州，海拔1091米。
  • 毫米波辐射测量望远镜\((\rm MROIT)\)：位于加拿大不列颠哥伦比亚省，海拔1770米。
  • 格陵兰岛望远镜\((\rm GIRoine)\)：位于格陵兰岛，海拔3200米。
  • 阿塔卡马大型毫米波望远镜\((\rm ALMA)\)：位于智利阿塔卡马沙漠，海拔5000米。
  • 南极望远镜\((\rm SPT)\)：位于南极洲，海拔2835米。
  • 毫米波阵列望远镜\((\rm MAMBO)\)：位于法国格勒诺布尔，海拔3000米。

• 超导系统：在低温低压环境下金属材料电阻趋于0的现象

• 超导的发展

  • 时间	发现者/作者	发现/著作	成就
    1911年	Heike Kamerlingh Onnes	发现超导现象	确定了超导现象的存在
    1933年	Meissner, O. and R.	Meissner效应的发现	发现了超导材料的独特性质：完全抗磁性
    1950年	F. London and H. London	London方程的提出	建立了描述超导材料的London方程
    1957年	John Bardeen, Leon Cooper, and John Schrieffer	BCS理论的提出	建立了BCS理论，解释了超导现象的微观机制
    1960年	Carbotte, J. P.	Carbotte效应的发现	发现了Carbotte效应，为超导材料的研究提供了新的方向
    1965年	Bednorz, J. G. and K. A. Müller	高温超导体的发现	发现了高温超导材料，打破了超导温度的记录
    1972年	Tinkham, M. B.	《超导基础》一书的出版	出版了《超导基础》一书，成为超导研究的经典参考书
    1986年	Bednorz, J. G. and K. A. Müller	发展了陶瓷超导体的研究方法	发展了研究陶瓷超导体的新方法，为高温超导体的进一步研究奠定了基础
    1987年	Müller, K. A., B. Batlogg, H. J. Kim, Z. X. Shen, T. Eckstein, D. Bozovic, J. Magill, G. Behr, J. W. Freeland, R. Modler, C. Geibel, F. Steglich, and X. Zhao	第一个高温超导体的发现	发现了第一个高温超导体，打破了超导温度的记录
    2008年	Hideo Hosono and Hidetaka Nishizawa	基于准粒子强关联电子系统的理论预测新型高温超导材料	通过理论预测新型高温超导材料，为超导研究开辟了新的方向

• 超导隧道结量子混频器的诞生与毫米波，亚毫米波天文的发展：能够实现微波信号与超导量子比特之间的相互转换，为远距离量子通信、高灵敏度微波探测等应用提供了新的可能性，为探索宇宙中的重要物理现象提供了更精确的测量方法。

• 毫米波天文的诞生：星际分子\(CO@3mm\)（贝尔实验室）