一个多世纪前由爱因斯坦提出的广义相对论(GR)仍然是有史以来最著名的科学假设之一。这个理论解释了在大质量物体存在下时空曲率是如何改变的,仍然是我们最广泛接受的宇宙学模型的基石。这应该不足为奇,因为GR从周日开始在可以想象的最极端的条件下进行了九种验证。特别是,科学家们已经进行了几次观测活动,使用银河系中心的超大质量黑洞人马座A*(SgrA*)测试GR。

脉冲星可以帮助绘制银河系中心的黑洞

去年,事件视界望远镜(EHT)——一个由天文学家和天文台组成的国际联盟——宣布他们已经拍摄了SagA*的第一张照片,这是在SMBH(M87)发布第一张图像两年后拍摄的。2014年,EHT的欧洲成员发起了另一项名为BlackHoleCam的倡议,以利用无线电成像,脉冲星观测,天体测量和GR的组合更好地了解SMBH。在最近的一篇论文中,BHC倡议描述了他们如何通过观察围绕SgrA*运行的脉冲星来测试GR。

BlackHoleCam联盟由马克斯普朗克射电天文学研究所(MPIFR),毫米射电天文学研究所(IRAM),卡夫利天文学和天体物理研究所(KIAA),曼彻斯特大学JodrellBank天体物理中心(JBCA),Radboud大学数学,天体物理学和粒子物理研究所(IMAPP)以及歌德大学理论物理研究所的研究人员组成。这项研究由MPIFR的博士后研究员RalphP.Eatough领导,可在arXiv预印本服务器上获得。

正如他们在论文中指出的那样,天文学家已经观察双中子星系统四十多年了。在这些系统中,一颗或两颗恒星都是活跃的射电脉冲星,引力的精确测试是可能的。同样,围绕SgrA*的近距离轨道上的脉冲星将是测试GR预测和无法测量的特性的理想实验室。这包括无毛定理,该定理指出形成黑洞的物质是无法进入的,以及宇宙审查猜想(CCC),该猜想对GR中奇点的结构进行了理论化。

在过去的几十年里,已经有几位搜索者发现了位于银河系中心(GC)约240光年(约73秒差距)内的脉冲星。2013年,随着检测到多个波长的PSRJ1745-2900(一种发射无线电的磁星),该地区的脉冲星数量达到六个。第一批团队依靠NeilGehrelesSwift和NuSTAR天文台来探测其伽马射线发射,而另外两个团队(一个由Eatough领导)使用射电望远镜对其进行了研究。最近在射电望远镜和数据分析方面的改进发现了GC脉冲星搜索的其他领域。

一种技术是搜索“高于正常”频率(超过十千兆赫兹(GHz))和更长积分长度的脉冲星。这减少了星际色散和散射的影响,这对于GC内的物体来说是最高的。不幸的是,这种方法需要权衡,因为这些搜索受到脉冲星陡峭发射光谱的限制,导致更高的信噪比。这使得GC对双脉冲星的调查非常具有挑战性,将搜索限制在光谱更平坦的孤立脉冲星上。

幸运的是,BlackHoleCam团队和EHT联盟的成员旨在通过使用世界上最大,最灵敏的望远镜(以毫米波长运行)来解决这些限制。这包括阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA),加州理工学院亚毫米天文台(CSO),基特峰国家天文台(KPNO),GranTelescopioMilimétricoAlfonsoSerrano(GTM),射电天文学研究所30米射电望远镜(IRAM)以及构成EHT骨干的其他仪器。

在这方面,用于拍摄SgrA*的第一张图像的相同技术将用于发现围绕它的双脉冲星。它也将归结为相同的方法:甚长基线干涉测量(VLBI)。这包括多个射电望远镜一起工作并组合数据以创建更高分辨率的图像。到目前为止,大多数脉冲星搜索都依赖于EHT中最敏感的元素:“完全阶段”的ALMA。

但Eatough和他的团队写道,这种情况将随着BlackHoleCam的出现而改变,“因为EHTVLBI成像和脉冲星观测都可以利用来自每个阵列元件的相同原始数据产品,EHTVLBI和脉冲星观测可以共生......在未来,我们可以设想使用EHT最大组件的相控阵来进一步提高灵敏度或减轻特定站点的干扰污染。

与往常一样,天文学的进步为超越原始任务的研究创造了新的机会。EHT最初设计用于对星系中心的超大质量黑洞(SMBHs)的事件视界进行成像,为下一代干涉测量研究打开了大门。在未来几年,这些阵列提供的无与伦比的灵敏度可以在最极端的条件下测试物理定律,为控制宇宙的定律提供新的见解。