查看有史以来最全面的黑洞地图

这张照片并非你平常所见的星空——这里的每一个点都代表一个超大质量黑洞。
Map of 25,000 supermassive black holes
每一个微小的光点都在它各自的星系中吞噬着大量的宇宙物质。LOFAR/LOL Survey

乍一看,这片闪耀着白点的黑色背景就像任何一幅夜空景象。但实际上,这张图像捕捉的是更令人兴奋的事物——那些闪烁的白色斑点实际上是数千个通过无线电信号捕捉到的超大质量黑洞。这是迄今为止制作的最详细的黑洞地图,数量超过25,000个。

这些黑洞中的每一个都在它们各自星系的中心吞噬着尘埃和气体,距离地球数百万光年。这些剧烈的、贪婪的螺旋会产生足够的、多波长的辐射,穿过宇宙到达我们地球。如果这些黑洞没有积极地吞噬空间粒子,它们将几乎不可能被探测到,因为休眠的黑洞不会发出任何可检测到的辐射,使其或多或少隐形。

即使是捕捉一个活跃的黑洞,更不用说成千上万个了,在宇宙进食的景象中也不是一件容易的事。这些黑洞的超低频无线电波长被低频阵列(LOFAR)探测到,这是一个由分布在欧洲52个地点的20,000个无线电天线组成的网络。

LOFAR目前是唯一一个能够产生100兆赫兹以下频率高分辨率图像的射电望远镜网络。当无线电波在太空中传播时,它的频率会降低,能量也会随之降低。由于信号在较低能量下更难检测,而波的能量在穿越数百万光年的太空时会降低,因此像LOFAR这样的高灵敏度阵列对于探测黑洞和其他太空现象的能量特征至关重要。

一旦信号被天线网络接收,数据就可以被编译成类似上述的图像。在这个特定的案例中,研究人员编译了从每个天线收集到的无线电波数据,以估算每个黑洞的位置。“这是多年来处理极其困难的数据所取得的成果,”德国汉堡大学的天文学家弗朗切斯科·德·加斯佩林(Francesco de Gasperin)解释道。“我们必须发明新的方法,将无线电信号转化为天空的图像。”

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LOFAR面临着一个地面望远镜可以避免的重大障碍:电离层。这是大气层最外层,它在地球周围形成一个由电子和带电粒子组成的壳层。它从地表以上50公里延伸到1000公里,是大气层与太空真空交汇的地方。

低于5兆赫兹的超低频无线电波在撞击到地球表面的LOFAR天线途中遇到这个大气层时会被反射回太空。为了纠正电离层干扰,天文学家团队开发了由超级计算机运行的算法,在收集无线电辐射的同时每四秒过滤一次干扰。

“经过多年的软件开发,看到这一切现在真的奏效了,真是太棒了,”荷兰莱顿天文台的天文学家胡布·罗特格林(Huub Röttgering)说道

这张覆盖北天球4%的初步图像,结合了十年的开发和分析,以及LOFAR吸收的近11天的无线电辐射。研究人员计划作为LOFAR LBA天体巡天的一部分,对北天球进行超低频成像。

这项实验的全部结果将发表在《天文学与天体物理学》杂志上。

 

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