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徐令予:在超级黑洞的边缘,广义相对论再次经受检验
最后更新: 2020-10-07 11:49:27联合多个望远镜组成光学干涉仪可以大大提高光学望远镜的角分辨率,其工作原理与合成孔径的射电望远镜阵列是相同的。但是光波的波长远远小于微波波长,光学干涉仪的技术难度远大于合成孔径射电望远镜,其相关技术也只是近年来才逐步完善成熟。VLT的角分辨率高达0.0005角秒,比哈勃太空望远镜还要高出50倍,意味着它可以分辨距其64万公里外一辆小轿车的两个前车灯。
VLT能够分辨64万公里外汽车的两个前灯,它无疑是当今世界上分辨率最高的天文望远镜,但是某位院士宣称:“我的仪器可以清晰地看到木星轨道上的汽车车牌”。他的那个仪器的分辨率比VLT至少还要高出上万倍!至于为什么他的这个仪器没有任何国际天文学家感兴趣,其中的道理我就弄不明白了。
VLT的强聚光能力和高分辨率为本次实验对S0-2星精确定位提供了可能性,但仅靠VLT是远远不够的。因为本次实验的重点是在红外光范围对目标物S0-2的位置坐标、速度和光谱结构的精细测量,目标物的红外光到达地面的VLT望远镜系统时会受到地球大气层的严重干扰。大气扰动使夜空中的星星像是在眨眼睛,这番景象让人们感觉到诗意盈然,但是对天文学家来说则是无尽烦恼。虽然太空望远镜可以避免地面大气层的尴尬,但是太空望远镜的镜头尺寸受到限制,並且其制造、维护和使用的费用甚高。近年来逐渐发展成熟起来的自适应光学系统就是帮助地面大型光学望远镜克服大气层干涉的利器。
如图5所示,自适应光学系统由波前探测器、波前控制器、波前校正器组成。波前探测器,主要是探测目标物近旁的对照星体的波前畸变,波前控制器对于自适应光学系统来说就如同计算机的CPU,通过波前探测器得到的波前数据,经过计算求得波前相位,然后通过控制系统反馈给波前校正器调节变形镜的各子模块来补偿畸变波阵面,提高图像精度。所以,自适应光学系统通常也简单地称之为变形镜。自适应光学系统获取的图像几乎可与在太空中拍摄的一样清晰,它可以用来观测亮度很低的天体,并且从中能够获得更多的细节。
自适应光学系统的基本原理
自适应光学系统的效果示意图。右边和左边分别是有和无自适应光学系统的银河系中心成像效果对比。
自适应光学系统工作时,必须有一个和观测对象亮度相近的对照星体,用它来估算出地面大气造成的干涉效应,从而对望远镜镜面形状进行相应调整以抵消大气的干涉。因为夜空中的目标物旁边找到合适的对照天体并非易事,于是只能通过向高空大气层发射激光束产生激光导星作为对照星体,这就使自适应光学系统有了更广泛的应用。目前新一代自适应光学系统正在研发当中,这些技术包括同时使用多个激光导星以及高级自适应光学设备等等。
通过上面的介绍,就不难明白为什么这次实验发生在2018年而不是2002年。S0-2绕行轨道周期是16年,2002年该星进入过与如今相同的极端状态,可惜当时的甚大望远镜VLT和自适应光学系统都没有准备好,天文学家们只能望星兴叹。但是这16年间,天文学家和众多技术专家们作出了巨大的努力,终于在今年完成了这个极有意义的科学实验。
世界上对S0-2恒星追踪观测二十多年的有两支天文学家团队。于今年7月26首先宣布这次科学实验结果的是德国Reinhard Genzel领导的一个团队,那么另一个团队是谁?他们又做了些什么?其实正是这两个问题引起了我的兴趣并动笔写作此文。
这第二个团队是银河中心研究组GCG(Galactic Center Group),其成员来自加州大学洛杉矶分校UCLA,加州理工学院,夏威夷大学W. M. Keck天文台。这个团队的创始人和首席科学家是UCLA的安德里亚.盖茨(Andrea Ghez)教授,她和她团队中许多成员都是我校物理和天文学系的老师和学生,我和他们同系共事有相当长一段时期。盖茨教授是美国国家科学院的院士、美国科学艺术研究院院士,世界著名的女天文学家,她的学术成就和奋斗经历足可写成几本好书。
银河系中心研究组的研究重点是以尽可能高的角分辨率研究银河系的最内部区域及其中心的超大质量黑洞,目的是了解超大质量黑洞与星系的形成和演化之间的相互作用。为此,他们对S0-2恒星进行了长达二十多年的跟踪观测。
为了分辨恒星光谱引力红移的牛顿力学模型和相对论模型之间的细微差异,必须让S0-2恒星位于黑洞最近处的极端条件下进行观测。除了时空弯曲,引起光谱红移还有许多其它因素,因此仅在最接近的位置上确定红移是远远不够的。天文学家必须在S0-2绕行黑洞轨道的多个位置上作红移观测,真正有意义的引力红移数据决定于S0-2在几个位置上光谱红移的差值和S0-2的精确运动轨道参数。
通过理论分析和计算机数值模拟,可以确定S0-2恒星轨道上有三个“转折点”是测量相对论引力红移的的最敏感时间点。2018年,S0-2将经历的三个转折点分别是:速度最大点,距离最近点和速度最小点,即图片7上的红、绿、蓝三点。到目前为止,对其中两个转折点的测量已经完成,对最后一个转折点的测量目前正在紧张进行之中。
在绕行超大黑洞的轨道上,对S0-2恒星引力红移观测有三个关键点:红色为速度极大点,绿色为最接近黑洞点,蓝色为速度极小点。
德国的团队完成了对S0-2的二个关键点的探测后就公布了实验结果。对此,盖茨教授向他们的竞争对手表达了祝贺,她说:“他们的数据看起来很漂亮。”但她也表示她的团队会坚持做完三个关键点的测试,计划等到今年晚些时候公布他们的结果。
我会设法联系盖茨教授的团队,希望能获知本次科学实验更多的细节和幕后花絮,如有可能将另成一文与观察者网的读者们分享。
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