世界最强光学望远镜阵列正在追踪黑洞,力求最大程度验证广义相对论

科学
世界最强光学望远镜阵列正在追踪黑洞,力求最大程度验证广义相对论
麻省理工科技评论 2019-01-24

2019-01-24

在智利阿塔卡马沙漠里的 Cerro Paranal 山的山顶,坐落着由 ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 四台望远镜组成的世界最强光学望远镜阵列,“甚大望远镜(VLT,Very Large Telescope)”。
物理
在智利阿塔卡马沙漠里的 Cerro Paranal 山的山顶,坐落着由 ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 四台望远镜组成的世界最强光学望远镜阵列,“甚大望远镜(VLT,Very Large Telescope)”。

在智利境内的沙漠里,一架巨型望远镜正一动不动的注视着银河中心超大黑洞的视界,等待着那个能测试广义相对论极限的事件发生。

在智利阿塔卡马沙漠里的 Cerro Paranal 山的山顶,坐落着由 ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 四台望远镜组成的世界最强光学望远镜阵列,“甚大望远镜(VLT,Very Large Telescope)”。

图 | 被炸平的 Cerro Paranal 山山顶(图源:Enrico Sacchetti)

虽然锈红色的土壤配上飞扬的尘土让人乍一看还以为这里是火星表面,但每当夜幕降临,ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 这四台巨大的望远镜便会从穹顶中缓缓转出,通过精致而复杂的现代光学系统捕捉那些来自宇宙深处的微弱光线。

在 VLT 工作的天文学家 Jonathan Smoker 说:“这里一年 365 天中的 330 天都是晴天,而且几乎没有光污染,当月亮落下时,夜晚的银河系婉如白昼,简直就是天文学观测的天堂。”

图 | 夜幕中的 VLT(图源:R. Wesson/ESO)

VLT 于 1998 年建成并投入运营,组成 VLT 的 ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 这四台望远镜每台都装有一个直径为 8.2 米的镜片,而由望远镜内多个镜片组合而成的精致光学系统则能使天文学家们能够最大限度地对宇宙进行观测。

VLT 在自建成后首次开机的 20 年里产出过许多著名的星云图像,也帮助欧洲南部天文台(ESO, European Southern Observatory)的天文学家们解答了一些如“通过一个星系内恒星和行星的形成过程来判断该星系是否能孕育生命”的开放性问题,并帮助验证了天文学中的一些基础理论。

例如,天文学家们曾在 20 世纪 90 年代发现了此前仅存在于理论中的一颗系外行星,但当时人们只能通过该星系内恒星所受到的影响判断该行星是否存在,而 VLT 则在 2004 年成功拍到了人类的首张系外行星照片,并以此开启了天文观测的一个新纪元。VLT 所使用的技术不仅能让天文学家们直接观测到系外行星,还能让科学家们根据图像推测系外行星的大气层成分,而 VLT 所收集的数据也的确与宇宙大爆炸理论的预期相符,为宇宙大爆炸理论提供了间接支持证据。

图 | VLT 拍摄到的“索尔之锤(Thor’s Helmet)”星云(图源:ESO)

然而,就算是最先进的望远镜也会随着科技的进步而落后。天文学家们认为,如果想要看得更远,VLT 也必须进行升级才行。

除了镜片尺寸,望远镜的性能还受许多像大气湍流这样的外部因素影响。VLT 所在的 Paranal 天文台海拔 2650 米,虽然空气已经十分稀薄,但是大气中的湍流仍会对光线造成随机性的弯曲,造成我们肉眼所见的星星会不停闪烁,并使望远镜所观测的图像变得模糊。

VLT 原本设有一个用于纠正气流影响的自适应光学系统,但根据当前的标准,上世纪的设计已经不能再使望远镜能在最大程度上纠正气流影响,天文学家们于是在 2016 年开始为 VLT 的自适应光学系统进行升级。

在 2016 年的升级中,Yepun 望远镜的光学系统中增添了一个厚度为 2 毫米,配有近 1200 个执行器的可形变次镜(deformable secondary mirror),能根据大气的测量结果通过这些执行器实时对镜面的形状进行调整并以此设法抵消掉一部分气流影响。而由四台望远镜构成的 VLT 本身也被增加了一个能对单台望远镜观测信息进行整合的 GRAVITY 系统,通过算法将图像锐化以提升清晰度。

在 2016 年的升级过后,天文学家们用 VLT 首次成功拍到了一颗年轻恒星附近尘埃区中正在形成的一颗行星,分析了 TRAPPIST-1 恒星周围 7 个类地行星的大气层成分(其中几个大气层中富含水分子),并帮助完成了一些其他的研究任务。

而除此之外,天文学家们还在 2016 年的升级后用 VLT 观测到了一个即将在银河系中心发生的大事件,一颗恒星正在快速向一个名为“射手座 A(Sagittarius A)”的超大质量黑洞靠拢。该黑洞的质量是太阳的 40 亿倍,天文学家们自上世纪 90 年代起就一直在关注这颗轨道会逐渐向 Sagittarius A 黑洞靠拢,编号为“S2”的恒星,想在其被黑洞捕捉时对爱因斯坦的广义相对论进行一次有史以来最为严格的测试。

但地球上所能观测到的由 S2 恒星所发出的光线十分微弱,这就对望远镜的观测精度提出了要求。德国马克斯普朗克系外物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)的 Oliver Pfuhl 说:“位于银河系中心的 S2 恒星和 Sagittarius A 黑洞离地球都很远,与地球隔有一层厚厚的尘埃,而仅有部分微弱的光线能透过尘埃抵达地球。”

Jonathan Smoker 说:“我们在 2016 年 Yepun 望远镜升级中添加的一个名为“四束激光向导设备(Four-Laser Guide Star Facility)”的装置使对 S2 恒星进行精准观测成了可能。该设备能用激光激发大气中的钠原子,而望远镜则能以每秒一千次的频率对这些被激发的钠原子进行分析,并以此计算出气流变化对观测所带来的的影响,进而自动对光学组件进行调整以最大程度地抵消这些影响。”

VLT 的研究员 JoëlVernet 表示,这意味着 VLT 将能以接近自身镜片理论极限的观测能力对天体进行观测,甚至能帮助天文学家对银河系外的超大质量黑洞进行追踪。

而除了对 VLT 进行升级,天文学家们目前正在 VLT 旁边筹建一个计划于 2024 年上线,主镜直径约 40 米的新“极大望远镜(ELT, The Extremely Large Telescope)”。

Jonathan Smoker 表示,目前有许多问题都超出 VLT 的观测能力上限,而 ELT 则能弥补这一空缺,使天文学家们能对一些更远的星系进行观测,对宇宙膨胀加速度进行首次测量,并随着时间推移推测出一些基本物理常量的变化程度,帮助物理学家进一步完善现有的基础理论,他说:“我已经有点等不及想要看到 ELT 上线了。”

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