超越Sgr A*和M87*：基于月球极端长基线干涉测量技术探测亚微角秒级别的黑洞阴影

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Beyond Sgr A* and M87*: Sub-Microarcsecond Black Hole Shadow Detection via Lunar-based Extremely Long Baseline Interferometry

　　

摘要

目前，基于地面的1.3毫米甚长基线干涉测量（VLBI）阵列——事件视界望远镜（EHT）受到地球直径的限制，因此只能对M87*和Sgr A*进行视界尺度的成像。如果将基线延伸到月球，那么在230 GHz频率下可以实现约0.7微角秒（μas）的角分辨率，从而能够探测到更多超大质量黑洞（SMBHs）的阴影。这一概念的提出是基于空间VLBI任务和月球探索的考虑，包括正在“嫦娥七号”（Chang’E-7）探测器上进行的月球轨道VLBI实验（LOVEX）以及计划中的国际月球研究站（ILRS）。我们评估了31个预测具有较大角尺寸的超大质量黑洞的阴影可探测性，假设这些黑洞在230 GHz频率下的辐射是光学薄吸收的，并探讨了不同望远镜位置和天线尺寸对阴影探测的影响。假设望远镜位于月球的対地点，我们模拟了月球-地球之间的 basaline 覆盖范围（u, v），发现位于月球轨道平面附近的源能够产生较宽范围的 projected baselines，这使得我们能够观测到第一个可见性零点——这是识别黑洞阴影的关键特征。通过使用几何环模型，我们确定了六个可以被探测到阴影的候选天体：M104、NGC 5077和NGC 1052可以使用5米口径的地面望远镜进行探测；PGC 049940需要10米口径的望远镜；NGC 524需要20米口径的望远镜；NGC 5252则需要40米口径的望远镜。如果额外的空间望远镜能够填补月球和地球之间的基线覆盖空白，那么对于 n = 1光子环的区域，使用40米口径的地面望远镜就可以探测到14个候选天体。这些结果为未来基于月球的望远镜在黑洞阴影研究中的应用提供了明确的科学和技术依据。