网站开发设计价格,福州市台江区网站,北京seo培训机构,多语言网站开发公司来源#xff1a;东晓科学网博客前几天#xff0c;EHT #xff08;Event Horizon Telescope#xff09;(事件水平线望远镜#xff09;研究团队发布重大新闻#xff0c;公布了人类首次拍到的黑洞“照片“”#xff0c;同时公布了7篇由200多名科学家署名的相关论文。所谓黑… 来源东晓科学网博客前几天EHT Event Horizon Telescope(事件水平线望远镜研究团队发布重大新闻公布了人类首次拍到的黑洞“照片“”同时公布了7篇由200多名科学家署名的相关论文。所谓黑洞是爱因斯坦引力方程的一个 理论解。由于黑洞强大的引力即使是无线电波在一定的距离内也无法挣脱。所谓 Event Horizon 是指信号消失的那个分界对于没有转动的黑洞来说这是一个球面。如果黑洞周围有大量尘埃绕黑洞形成一个吸积盘这些物质绕黑洞旋转、最终吸入黑洞在这个过程中引力能转换为热能使其尘埃温度升高尘埃中加速运动带电的粒子会发出无线电波向空间传播出去。但是带电粒子离黑洞近到一个距离后它们发出的无线电波也会被吸入黑洞我们也就无法接收到了。这样从远处看来黑洞所在处的中央会有一个区域一片沉寂而周围一个环状空间有信号。EHT的 M87 黑洞照片似乎验证了理论的预测。EHT的新闻引发了强烈的兴趣爱因斯坦一百多年前的理论再次得到了检验网上科普文章视频也如雨后春笋一般。但这些科普似乎没有解答一个基本问题EHT 是如何给 M87 黑洞拍照的。普通光学照相机的成像是把来自被拍摄物体不同点的光折射到感光片的不同点。无论是传统的胶片还是现代的数码感光芯片理论上感光片上的一点与被拍摄物的一点对应。这是一个被拍摄物与感光片的直接空间对应关系。光学成像非常好理解哈勃望远镜也是这个原理拍摄了很多遥远天体的照片。但可惜我们无法用照相机给 M87 的 黑超级洞用这个方法拍照因为它周围布满的星际尘埃阻挡了可见光。EHT 给黑洞“拍照”使用的是射电望远镜其收集信号的装置是一个接收无线电信号的圆盘天线。但是射电望远镜收到的只是一个信号。以 M87 黑洞为例整个黑洞及其周围空间在射电望远镜处产生的只是一个随时间变化的电压信号。这有点像 听交响乐演奏。乐队各种乐器成半环形中间是一个指挥。虽然交响乐团各种乐器在不同位置发出不同的声音它们产生的空气振动传到人的耳朵叠加起来产生空气压力随时间的变化。乐团里不同乐器在不同位置、不同频率、不同波形的振动传递到人的一只耳朵变成一个数字的变化这个数字就是压力。这跟我们用眼睛欣赏乐团的表演形成鲜明的对比我们眼睛看到不同的乐手在以各种动作演奏不同的乐器 -- 不同空间位置在我们的视网膜上的不同点成像。为什么不能将声波像可见光那样点对点成像呢因为声音的波长可以达米的量级要进行分辨接收”设备”得更大而我们的内耳大小有限。听交响乐时人耳感受到的只是一个空气压力的变化。如果我们能够根据空气压力的变化反推出一个环形的乐器分布并且判断出中间没有声音发出我们就得到了交响乐队的布局图像声音发自半圆形的乐队中间是无声的指挥。怎么从空气压强的变化还原出每个乐器的位置形成一个乐队的基本位置图呢大家可以做一个实验。如果捂住一只耳朵你会发现很难判断声音的方向。人的大脑能够根据两只耳朵接受同一个声音的相位、大小不同进行位置分析。光有一只耳朵听就少了判断依据。再做一个实验播放高音的音乐闭上眼睛、两耳聆听能够比较容易的判断发出声音的方向如果改成低音就很难判断了。波长与频率成反比。声速约 300米/秒如果频率是300赫兹那么声波长为1米这个波长远大于两个耳朵之间的距离两只耳朵得到的信号相差很小判断难度就大了。可以想象如果不是用两耳听而是在不同方向摆上很多个声音接收器应该可以用数学方法形成一幅声源的 分强度布图。这相当于多个未知数用多个方程解出。EHT 的望眼镜每次接收到的 信号是整个黑洞及其周围空间发出的全部信号的总和。用 EHT 射电望远镜给黑洞成像类似于通过接收到的声音推算出乐队各个乐器的声音大小与布局。EHT 用8个射电望远镜观测黑洞记录下收到的信号包括精确的时间然后两两组合形成一个相关数据。但 8台望远镜也只有 8*(8-1)/2 28 个组合的数据这当然是不够的。利用地球的自转这些望远镜组合相对于黑洞的方向又在变化数据增多了。这相当于人在听声音时转动身体用不同角度听。有了这些数据后剩下的问题是怎么从这些不同探测器距离组合、不同角度的获得的信号数据反推出信号源的分布。这是一个数学与计算(computational)问题。下面我粗略的讲一下相关的数学方法。下图中S为信号源它的不同处以不同的强度向空间发出信号。T1 与 T2 为两个信号接收装置两者的距离为D。这两个信号接收器收到的是S各处发出的信号的总和。我们的任务是找出收到的信号与S上信号分布的关系而生成 S的“图像”也就是S上各处信号强度变化图。数学分析的基本线路是先找出S上任意一点在两个接收器产生的信号然后把S上各点的信号加起来又称积分。下面虽然图像是一个黑洞假想照但是相关分析适用于其他应用。依照上图我们考虑信号源上某一点 s1 发出的信号波其数学形式 是 exp(ikr)/rexp(ikr)/r k2π/λk2π/λ。s1 到 T1 的距离为 r1到 T2 的距离为 r2。从图中看出信号达到 T1 要多走一段距离如果我们假设 r1、r2 远远大于 T1、T2之间的距离T2-s1-T2 这个角度接近零那么 r1−r2Dcos(θ)r1−r2Dcos(θ)。T1、T2 两处收到信号的相位差是 这个距离差除以波长λλ乘上 2*pi2πDcosθ/λ2πDcosθ/λ。把T1/T2 两处的信号相乘并进行时间平均计算两个信号的交叉相关度我们得到 I(θ)exp(−ikr1)⋅exp(ikr2)I(θ)exp(−i2πDcosθ/λ)I(θ)exp(−ikr1)⋅exp(ikr2)I(θ)exp(−i2πDcosθ/λ)其实部为I(θ)cos(2πDcosθ/λ))I(θ)cos(2πDcosθ/λ))其中 I(θ)I(θ) 是 θθ 方向也就是来自 s1 点处的平均信号强度。知道了 I 随角度的变化就完成了拍照。但我们接收到的信号来自整个信号源而不是一点。接下来我们要把信号源S各处产生的效果加起来。由于 S 上不同处的信号源是彼此独立的这只是一个简单的叠加。进一步计算之前我们假设 S 距离非常遥远对应的观察角度变化范围非常小。以 M87 为例从地球观察其展开的角度只有十亿分之一度的量级。如果\theta 为 60度那么整个 M87 只是在 60度左右十亿分之一的范围变化。设 θ0θ0为信号源中心处的角度我们引入一个新的变量 αα 来表达这个角度的微小变化θθ0αθθ0α。这样信号相关量 公式可以得到简化I(θ)exp(−i2πDcosθ/λ)I(θ)exp(−i2πDλcos(θ0α))≈I(θ)exp(−i2πDλ (cosθ0−sin(θ0) α)I(θ0α)e−2πDcosθ0λ exp(i2πDsinθ0λα)I(θ)exp(−i2πDcosθ/λ)I(θ)exp(−i2πDλcos(θ0α))≈I(θ)exp(−i2πDλ (cosθ0−sin(θ0) α)I(θ0α)e−2πDcosθ0λ exp(i2πDsinθ0λα)上面的结果中带有一个固定的相差 2πDcosθ0/λ2πDcosθ0/λ我们可以在计算中人为引进一个与之相反的相差将其抵消。引入 J(α)I(θ0α)J(α)I(θ0α)我们的信号相关函数简化为J(α)cos(2πDsinθ0λ α)J(α)cos(2πDsinθ0λ α)从这个公式可以看出T1/T2 组合的有效孔径大小为 Dsinθ0Dsinθ0也就是图中的 d。其对应角分辨率约为 λ/Dsinθ0λ/Dsinθ0 。上面是S上一点信号在两个望远镜产生的相关量。而望远镜实际接受的是来自S的全部信号。要把信号源 S 中白线上发出的信号加起来得就不同的αα 值对上面的式子求和或者说积分。引入符号 uDsinθ0/λuDsinθ0/λ这个“求和”可以表达为 J(u)∫αJ(α) ei 2πu αJ(u)∫αJ(α) ei 2πu α这个积分在数学上称为 J 的傅里叶变换。怎么从 J(u)J(u) 得到我们需要的 J(α)J(α)呢数学上这是一个反傅里叶变换 J(α)∫uJ(u) e−i 2πu α duJ(α)∫uJ(u) e−i 2πu α du 。要完成这个反向操作光有一个值是不行的我们必须知道 J(u)J(u) 随 u 是怎么变的。EHT 由多个射电望远镜两两组合各个组合形成不同数据而且随着地球的自转望远镜连线相对于黑洞方向的角度也在变这就给出了不同 u 值的 J(u)J(u) 值。有了这些数据就可以试图完成反向操作得到信号强度随角度的变化图像就出来了。虽然上面的计算是考虑一维的信号源但是对于二维信号源来说方法是完全类似的结果是二维的傅里叶变换与反变换。我们就 M87* 的数据说明一下成像的难度。M87 中心黑洞质量约为太阳质量是60亿倍离地球距离约 5400万光年。一个太阳质量的黑洞视界半径约为 3 千米。因此M87 黑洞的半径为 180 亿千米。这是180*10^8/3/10^5/3600/24 ~ 0.7 光天 光一天走的距离。其观测角度只有 2* 0.7/5400/10000/365 * 180/3.14 ~ 4 * 10 ^(-9) 度或者说 10亿分之4度。西方文明具有惊人的传承性他们还在使用古巴比伦的天文单位--弧秒。1弧分等于 1/60 度1 弧秒等于 1/60 弧分或者说 1/3600 度。因此M87 黑洞的视界角度只有 4 * 3.6 微弧秒。黑洞周围的“光环”半径约为视界半径的 2.6 倍因此光环的观测角度为 约 10亿分之10度或者约40 微弧秒。EHT 观测波长为 1.3 毫米左右两台望远镜之间距离约 10000 km分辨率约为 1.3/10000/1000/1000 * 180/3.14 10亿分之 7 度。两者相比EHT 刚刚能够看出点名堂。如果大家觉得 照黑洞片略显模糊要知道这已经是对数据已经进行了很多的智能优化处理。为什么中国贵州500直径的FAST射电望远镜没有参加 EHT 研究呢如果你看 FAST 的照片可以发现它的天线反射抛物面是金属网格的网格大小约10厘米所以微米的电波直接穿过去了FAST不能在 EHT 这么高的频率工作。另外EHT各射电望远镜距离遥远信号不能直接连线合成只能把接收到的信号及其精确时间存到硬盘最后才能集中到一起进行数据处理这也得需要辅助设备与相当的准备工作。怎么提高分辨率中国据说在筹划天琴计划把射电望远镜装在多颗卫星上这样它们之间的距离可以大大增加同时又避免了大气干扰。EHT 十多年磨一剑投入数千万美元。天琴可能得投入数亿美元但它也许能给人类带来对宇宙更为深层的认识与理解。未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能互联网和脑科学交叉研究机构。未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
