准备好看到“黑洞”了吗?

2018-09-26 22:24:30  AAS NOVA

准备好看到“黑洞”了吗?

2018-09-26 22:24:30
来源:AAS NOVA
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  2006年开始的一个雄心勃勃的计划:创造世界上最大的望远镜,目标是拍摄黑洞的阴影。随着观测数据的累积如何分析这个计划产生的图象成为研究的重要课题。

  行星大小的望远镜--事件地平线望远镜Event Horizon Telescope(EHT)

  事件视界望远镜(EHT)是由世界各地的无线电天文台组合而成。这些天文台使用非常长的基线干涉测量法将他们的数据结合起来,创造出一个有效直径等于地球的虚拟望远镜!

  图1截至2017年3月,事件地平线望远镜(EHT)和全球mm-VLBI数组(Global mm-VLBI Array,GMVA)参与望远镜的位置。这些望远镜计划拍摄在银河系中心超大质量黑洞事件地平线的阴影。[Credit ESO / O。Furtak]

  研究人员希望EHT将有能力拍摄一个吸积黑洞事件地平线的毫米波段无线电波图像-特别是银河系中心的超大质量黑洞Sgr A * -以了解黑洞物理和广义相对论在这个引力怪物深处的具体现像。

  现在EHT更接近其目标了,随着更多望远镜加入系统,该计划将继续提高其分辨能力和灵敏度。然而,该计划的另一个重要研究如何能够以有意义的方式分析和表现它产生的黑洞图象。最近,由Lia Medeiros(亚利桑那大学,加州大学圣巴巴拉分校)领导的一个研究小组已经证明,一种新颖的方法-统计研究领域中的主成分分析法-可能可以成为这一研究中的有效工具。

  主成分分析法

  主成分分析是一种聪明的数学方法,允许用户将一组复杂的变量观察转换为其“主成分”。这一过程-通常用于传统的统计应用,如经济学和金融学-可以简化观察中存在的信息量,并帮助识别可变性。

  Medeiros和合作研究者证明,模拟EHT观测的时间序列-由高保真一般相对论的黑洞磁流体动力学模拟产生-可以使用主成分分析分解为独立的“本征图象”之和。这些本征图象提供了一种压缩快照中信息的方法:大多数快照可以通过对几十个主要特征图象求和来再现。

  使用主成分分析法将一组图象分解为独立的本征图象的简单示例。上方是来自在圆形路径上移动的高斯点的简单模型的快照。主成分分析分解的前四个分量-四个主要的本征图象-显示在下方,用相应的特征值标记。摘自:TheAstrophysical Journal,Volume 864,Number 1,Lia Medeiros et al.

  探索稳定和可变流量

  如果来自黑洞模拟的图象可以用本征图象的总和来表示,那么EHT产生的实际观测值也可以。通过在这个特征图象框架内比较两组观察结果-真实和模拟-将能够更好地理解EHT观察到的成分。主成分分析的数学可分析稀疏干涉数据,比如EHT观测的结果。

  来自模拟的典型快照(顶部),然后是来自前导10,40和100个本征图象的快照的三种不同重建。摘自:The Astrophysical Journal,Volume 864,Number 1,Lia Medeiros et al.

  识别出前导特征图象中未能良好分辨的图象同样扮演重要角色。这些离散的图象可以指示黑洞周围的燃烧或其他可变现象,识别出出现这种情况的时刻亦将有助于更好地理解黑洞周围吸积流的物理特性。

  请留意EHT的第一批图片,期待很快就会有所成果-主成分分析很有可能帮助我们理解它们!

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