[论文解读] Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole

Sheperd S. Doeleman, Eric Agol+21 more|ArXiv.org|Jun 21, 2009

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 77

一句话总结

本文提出利用亚毫米波长甚长基线干涉测量（submm-VLBI）直接成像超大质量黑洞的事件视界，重点研究SgrA*和M87。通过将毫米/亚毫米波射电望远镜组合成全球性的‘事件视界望远镜’，该团队证明了目前已有足够的角分辨率和灵敏度，可解析黑洞阴影，标志着在强引力场中检验广义相对论以及研究事件视界附近吸积物理的重要一步。

ABSTRACT

A long standing goal in astrophysics is to directly observe the immediate environment of a black hole with angular resolution comparable to the event horizon. Realizing this goal would open a new window on the study of General Relativity in the strong field regime, accretion and outflow processes at the edge of a black hole, the existence of an event horizon, and fundamental black hole physics (e.g., spin). Steady long-term progress on improving the capability of Very Long Baseline Interferometry (VLBI) at short wavelengths has now made it extremely likely that this goal will be achieved within the next decade. The most compelling evidence for this is the recent observation by 1.3mm VLBI of Schwarzschild radius scale structure in SgrA*, the compact source of radio, submm, NIR and xrays at the center of the Milky Way. SgrA* is thought to mark the position of a ~4 million solar mass black hole, and because of its proximity and estimated mass presents the largest apparent event horizon size of any black hole candidate in the Universe. Over the next decade, existing and planned mm/submm facilities will be combined into a high sensitivity, high angular resolution "Event Horizon Telescope" that will bring us as close to the edge of black hole as we will come for decades. This white paper describes the science case for mm/submm VLBI observations of both SgrA* and M87 (a radio loud AGN of a much more luminous class that SgrA*). We emphasize that while there is development and procurement involved, the technical path forward is clear, and the recent successful observations have removed much of the risk that would normally be associated with such an ambitious project.

研究动机与目标

• 利用亚毫米波VLBI实现对超大质量黑洞事件视界的直接成像。
• 在黑洞视界附近的强场区域检验广义相对论的预测。
• 研究黑洞边缘的吸积与喷流过程。
• 为事件视界望远镜作为下一代仪器奠定技术和科学基础。
• 证明利用毫米/亚毫米波观测解析史瓦西半径尺度结构的可行性。

提出的方法

• 在亚毫米波波段（例如1.3毫米）利用甚长基线干涉测量（VLBI），实现衍射极限的角分辨率。
• 将现有的和计划中的毫米/亚毫米波射电望远镜组合成全球孔径综合阵列，形成事件视界望远镜。
• 利用亚毫米波-VLBI的高灵敏度和高角分辨率，解析事件视界尺度的结构，如黑洞阴影。
• 采用相位参考法和可见度条纹检测技术，保持长基线和高频段的相干性。
• 应用孔径综合成像算法，从可见度数据重建黑洞环境的亮度分布。
• 由于其较大的视直径和相对接近的距离，选择SgrA*和M87作为主要科学目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚毫米波-VLBI能否解析超大质量黑洞的事件视界尺度结构？
• RQ2 事件视界附近的辐射区域形态如何？其形态是否与广义相对论预测的黑洞阴影一致？
• RQ3 在亚毫米波波段，吸积流与喷流在黑洞附近的即时区域如何表现？
• RQ4 能否通过对其环境的高分辨率成像约束黑洞的自旋和质量？
• RQ5 事件视界的观测特征是什么？能否将其与其它致密天体模型区分开来？

主要发现

• 近期1.3毫米VLBI观测已成功探测到SgrA*中史瓦西半径尺度的结构，证实了在事件视界尺度解析特征的可行性。
• 由于距离近且质量约为400万倍太阳质量，SgrA*是目前可观测到的视直径最大的黑洞候选体。
• 实现完整事件视界望远镜能力的技术路径现已明确且风险较低，得益于成功的概念验证观测。
• 现有和计划中的毫米/亚毫米波设施的结合，将实现对黑洞环境的高灵敏度、高角分辨率成像。
• 该项目有望在未来十年内实现其主要目标——直接成像事件视界。
• 科学回报包括对广义相对论的直接检验、吸积物理研究以及黑洞自旋的测量。