北京時間4月10日21時（15:00 CEST），全球多國科研人員合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”【Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration】組織在全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓）同步召開新聞發(fā)布會，發(fā)布了人類歷史上首張黑洞照片。這張照片來自距我們有5500萬光年之遙的近鄰巨橢圓星系M87的中心（上圖）。

撰文 | 江悟、路如森、高峰（中國科學(xué)院上海天文臺）

一百多年前的愛因斯坦廣義相對論預(yù)言，宇宙中可能存在黑洞，其體積無限小而密度無限大，強(qiáng)大的引力場引起時空扭曲，形成光也無法逃逸的“事件視界”面（有關(guān)“事件視界”，詳見系列文章和相關(guān)論文^[1]）。天文學(xué)家相信黑洞確實存在，并認(rèn)為幾乎所有的星系中央都存在黑洞，在那里其“體重”可以成長到幾百萬或數(shù)十億倍太陽質(zhì)量。

盡管有理論和越來越多天文觀測的佐證，但我們還從未直接見過黑洞。“事件視界”望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）是第一個專為獲取黑洞影像的實驗計劃。它選取了我們銀河系中央和室女系M87中央這兩個“事件視界”半徑最大的黑洞作為首要目標(biāo)來驗證愛因斯坦的廣義相對論。EHT拍攝的不是黑洞本身的圖像，而是這兩個黑洞在光子捕獲半徑處（光子捕獲半徑稍大于“事件視界”半徑）所呈現(xiàn)的光圈和內(nèi)部“事件視界”及引力透鏡下產(chǎn)生的陰影，以及快速旋轉(zhuǎn)和相對論波束效應(yīng)形成的看起來像月牙形狀的圖像。目前，拍攝黑洞圖像的最佳波長是在EHT工作的1毫米波段，這個觀測波段可以拍攝到靠近黑洞周圍的區(qū)域而不受同步自吸收產(chǎn)生的遮擋。工作在1毫米波段，口徑如地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡才可以用來拍攝黑洞的圖像。而位于上海的65米天馬射電望遠(yuǎn)鏡則工作在長毫米波以上波段，在EHT觀測期間也聯(lián)合其他望遠(yuǎn)鏡主要對黑洞外圍大尺度結(jié)構(gòu)如噴流等進(jìn)行監(jiān)視。

天文望遠(yuǎn)鏡的兩個重要參數(shù)是靈敏度和分辨率，通俗一點講就是“看得見”和“看得清”的本領(lǐng)，這兩者都與望遠(yuǎn)鏡的尺寸或者說口徑正相關(guān)。提高兩者水平的常規(guī)做法就是往大里做，比如我國的FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope） 500米射電望遠(yuǎn)鏡和正在參與籌建的TMT（Thirty Meter Telescope）30米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。但受到建設(shè)成本和制造工藝等方面的限制，單臺望遠(yuǎn)鏡的最大尺寸存在上限，往往觀測頻率越高，最大尺寸就越小。

此外也有獨辟蹊徑的方法，比如EHT采用的干涉測量技術(shù)。它可以將分布在不同地方相距很遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來，組成一個口徑相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間距離（天文專業(yè)術(shù)語叫做“基線”）而不單是單臺望遠(yuǎn)鏡口徑的超大望遠(yuǎn)鏡。其基本原理可以追溯到邁克爾遜干涉儀。簡單地講，頻率相同、振動方向相同且相位差恒定（即滿足干涉條件）的兩束光（電磁波）交匯在一起就能夠發(fā)生干涉。兩束光經(jīng)過不同的路程和介質(zhì)（光程差）就會產(chǎn)生不同的干涉圖樣，從而可以根據(jù)干涉圖樣反演光源的特性。

天文學(xué)上典型的應(yīng)用包括射電波段的干涉儀^[2]，它又細(xì)分為綜合孔徑和甚長基線干涉儀；而光學(xué)波段有著名的探測到引力波的激光干涉儀^[3]。射電波段和光學(xué)波段的干涉儀曾分別現(xiàn)身于1974年和2017年的諾貝爾物理學(xué)獎。本文講述的黑洞“事件視界”望遠(yuǎn)鏡^{[1, 4]}是射電波段干涉儀中的一種甚長基線干涉儀（Very Long Baseline Interferometer， VLBI），也是目前世界上射電毫米波段觀測頻率最高、分辨本領(lǐng)最好的干涉儀。眾所周知，觀測頻率越高，對望遠(yuǎn)鏡的要求和建設(shè)難度就越高。因為角分辨率（即空間分辨率）可以用波長除以基線長度表示，頻率越高波長越短，角分辨率也越高，此時遠(yuǎn)處很小的物體也能辨別出來。EHT的分辨本領(lǐng)強(qiáng)到什么程度？可以打個比方，月球上放一個乒乓球都可以看得很清楚。所以，即使距離我們很遠(yuǎn)的銀河系中央的黑洞（8 kpc，合2.6萬光年；光年是長度單位，指光走一年的距離）和室女系M87中央黑洞（16.8 Mpc，合5480萬光年），也能看清楚它們黑洞周圍“事件視界”尺度的形態(tài)，這也是“事件視界”望遠(yuǎn)鏡名字的由來。

談到天文觀測就不得不提及大氣窗口。我們知道，地球的大氣是我們?nèi)祟愘囈陨娴幕A(chǔ)，比如大氣保證了地球上氧氣和水循環(huán)的存在，并阻擋了外界物質(zhì)（大部分紫外線、太陽風(fēng)和隕石等）的侵?jǐn)_，但同時也阻擋了部分有用的電磁波到達(dá)地表，如圖1所示。

圖1. 地球“大氣窗口”

所以，地面的天文觀測大多只能在最終透射經(jīng)過大氣層能夠到達(dá)地表的波段進(jìn)行，比如大部分無線電波段和可見光波段，分別對應(yīng)射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測所在波段。（亞）毫米波段和部分光學(xué)波段透射率也很低，需要選擇在合適的臺址（一般是高海拔、干燥、氣候條件穩(wěn)定）或者大氣層外觀測，而紅外和高能觀測因為幾乎完全不能透射到地表則最好是在地球大氣層外觀測。

EHT（https:///）是一個集合了全世界具備（亞）毫米波觀測能力的VLBI臺站組成的口徑如地球直徑大小的超大干涉陣（圖2）。目前已經(jīng)有覆蓋地球南北兩極、南北美洲和歐洲等地的望遠(yuǎn)鏡參與進(jìn)來。主要工作頻率在230GHz附近（4G手機(jī)通信中間頻率約2.3GHz），對應(yīng)波長1.3毫米。這個項目從2006年最初開展測試實驗到現(xiàn)在發(fā)展成囊括臺站觀測、數(shù)據(jù)處理、理論分析、仿真模擬、結(jié)果發(fā)表以及對外發(fā)布等分工協(xié)作、組織嚴(yán)密的超過200人參與的國際性大科學(xué)工程。自從位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）作為一個VLBI臺站參與到EHT觀測中以后，EHT的靈敏度得到很大的提升，使得對銀河系中央黑洞和M87星系中央黑洞成像成為可能。

圖2. EHT臺站全球分布圖^[1]。ALMA（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array） 阿塔卡馬大型毫米波陣(~37×12m)，位于智利；APEX（Atacama Pathfinder Experiment）阿塔卡馬探路者實驗望遠(yuǎn)鏡(12m)，位于智利；CARMA（Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy ）毫米波天文學(xué)研究用組合陣列 (8×{10.4,6.1}m) ，位于美國加州；CSO（Caltech Submillimeter Observatory）加州理工學(xué)院次毫米天文臺 (10m)，位于夏威夷； GLT（Greenland Telescope）格陵蘭望遠(yuǎn)鏡 (12m)，位于格陵蘭西北部； IRAM（Institut de Radioastronomie Millimétrique）毫米波射電天文所的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡 (30m)，位于西班牙；JCMT（James Clerk Maxwell Telescope）麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡 (15m)，位于夏威夷；KP (Kitt Peak National Observatory) 基特峰國家天文臺 (12m)，位于美國亞利桑那州；LMT（Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano）大型毫米波望遠(yuǎn)鏡 (32.5m)，位于墨西哥；NOEMA ( Northern Extended Millimeter Array) 北方擴(kuò)展毫米陣列 (12×15m)，位于法國；SMA（Submillimeter Array）亞毫米波望遠(yuǎn)鏡 (7×6m)，位于夏威夷；SMT（Sub-Millimeter Telescope） (10m)，位于美國亞利桑那州；SPT（South Pole Telescope）南極望遠(yuǎn)鏡 (6m)，位于南極。

2017年開始，EHT決定協(xié)調(diào)組織整個陣列的聯(lián)合觀測，考慮到對天氣條件極其苛刻的要求和南北半球的氣候差異，觀測時間選定在每年的4月份前后，視天氣條件遴選出5天實施觀測。屆時全球各合作單位、望遠(yuǎn)鏡所屬機(jī)構(gòu)積極響應(yīng)，為每年這5天觀測提前精心策劃，保障觀測萬無一失。上海天文臺作為國內(nèi)VLBI方向的牽頭單位，也是東亞地區(qū)東亞天文臺所屬望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）VLBI運營支持方之一，每年JCMT在EHT觀測期間，我們都會前去臺站現(xiàn)場和其他國際同行一起執(zhí)行觀測，因此有幸在臺站觀測這個重要環(huán)節(jié)參與其中，感受到EHT先進(jìn)的前沿技術(shù)、科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)、工作做到極致的態(tài)度和國際分工合作之間的默契。

JCMT^[5]是最早參與EHT測試實驗的主要臺站，它位于美國夏威夷州大島（Big Island）上莫納克亞（Mauna Kea）山頂，海拔4092米處。莫納克亞山是一座死火山，位于它西南面還有一座相似高度的活火山莫納羅亞山，它擋住了來自太平洋的絕大部分暖流，所以莫納克亞山頂常年干燥少雨，是世界上少有的理想天文觀測臺址。除JCMT外，還有很多天文望遠(yuǎn)鏡布局在這個山頂（圖3），說它是頂級天文觀測基地也不為過，將來TMT也會在這里落腳。

圖3前排中間位置的就是JCMT，口徑15米，最早于1987年開始觀測運行，是早期最大的工作在亞毫米波段（目前最短觀測波長450微米）的單口徑望遠(yuǎn)鏡，2015年3月份開始?xì)w屬東亞天文臺。

圖3. Mauna Kea山頂天文望運鏡，前排居中即為JCMT

JCMT望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡面是由276塊輕盈的鋁塑混合板組成15米口徑的拋物面，主反射面下有可調(diào)節(jié)的支撐結(jié)構(gòu)，保證主面不受重力變形的影響，面板精度能夠達(dá)到24微米。副反射面也是三維可動，用來調(diào)焦和適應(yīng)主面。望遠(yuǎn)鏡整體被安裝在一個圓柱形塔臺上，塔臺可以像旋轉(zhuǎn)木馬一樣做圓周旋轉(zhuǎn)，這樣保證望遠(yuǎn)鏡能觀測整個方位360度的目標(biāo)源。而在俯仰方向，安裝了用特殊材料制成只有微小衰減的弧形透射膜，可以讓JCMT能接收到俯仰范圍內(nèi)的信號而不受外屆風(fēng)力和降雨等的影響。

EHT觀測的初步時間安排一般在中國農(nóng)歷年前，會提前3個月左右發(fā)布，我們前去參加觀測的人員此時就開始和臺站機(jī)構(gòu)聯(lián)系，了解和熟悉臺站設(shè)備狀態(tài)、規(guī)劃行程、準(zhǔn)備臺站所在國的簽證等。上海到夏威夷每周都有幾趟直達(dá)航班，相對比較方便，從夏威夷再到大島也只要1小時的飛機(jī)。東亞天文臺辦公樓在大島的希洛市，緊鄰夏威夷大學(xué)，和各種天文望遠(yuǎn)鏡的總部在一起。在東亞天文臺，我們和日韓臺灣地區(qū)的同行將接受一些面對高原環(huán)境的培訓(xùn)，簡單來說就是多看少動，多喝水。當(dāng)然此外還有很多需要注意的細(xì)節(jié)，這里儲備了很多保障設(shè)施，也積累了很多經(jīng)驗，基本可以放心隨行。有了基本的準(zhǔn)備后，我們就朝山頂驅(qū)車前進(jìn)了。

圖4. JCMT塔臺和內(nèi)部望遠(yuǎn)鏡

沿路風(fēng)景漸漸由茂盛的雨林變成低矮的灌木叢，然后成了黑色火山灰覆蓋下的土丘，呼吸也因海拔的上升逐漸變得沉重起來。驅(qū)車大概四五十分鐘后，我們來到了位于海拔2800米處的半山腰基地（Hale Pohaku，簡稱HP）。按照規(guī)定，初次去山頂觀測的人員需要在這個基地至少待上一晚以適應(yīng)高原環(huán)境，同時也限制在山頂一天內(nèi)的停留時間不能超過12小時，所以每次去山頂觀測一段時間后都必須返回HP調(diào)整。在HP，EHT同行分成兩個小組，分別負(fù)責(zé)前半夜和后半夜的觀測。在這里，大家一方面關(guān)注山頂?shù)奶鞖?，一方面等待EHT最終觀測的通知。由于全球所有參與臺站都需要具備很好的設(shè)備狀態(tài)并滿足苛刻的天氣條件，往往當(dāng)天晚上的觀測在下午3點左右才最終確定。HP為來訪者提供了很好的活動空間和物質(zhì)保障，對天文學(xué)家來說，這也是一次難得的與同行當(dāng)面交流的機(jī)會，所以大家都喜歡圍坐在一起交流和討論。

在短暫的等待后，終于迎來了EHT的觀測，大概再驅(qū)車30分鐘，我們到達(dá)山頂，路邊基本沒有植被，只看到火山灰堆積成的沙丘和來不及融化的積雪。到達(dá)望遠(yuǎn)鏡后，就開始部署觀測任務(wù)。我們一般提前檢查設(shè)備狀態(tài)，確認(rèn)各個環(huán)節(jié)都正常，JCMT旁邊還有一個亞毫米波陣列SMA（Submillimeter Array），每次正式觀測前都和它做一次測試觀測，來確認(rèn)兩者的狀態(tài)是否都正常。

圖5. 位于半山腰的HP基地

通常，我們很快就能確認(rèn)得到表示設(shè)備正常的干涉條紋，然后就可以著手準(zhǔn)備正式執(zhí)行觀測任務(wù)。JCMT在被東亞天文臺接管之前主要進(jìn)行單天線觀測，并不具備VLBI觀測能力，所以JCMT當(dāng)?shù)赜薪?jīng)驗的觀測同行會幫我們控制天線，比如操作天線對準(zhǔn)目標(biāo)源，每隔一段時間進(jìn)行指向確認(rèn)和對焦等。EHT同行則主要關(guān)注VLBI信號接收鏈路的狀態(tài)，比如監(jiān)視用來混頻的本振信號源，監(jiān)視用來高速采集和記錄原始數(shù)據(jù)的設(shè)備狀態(tài)。前面提到干涉要求兩路電磁波頻率相同、相位差恒定，在EHT觀測過程中，我們要求230GHz附近的信號保持不會產(chǎn)生1Hz頻率偏差。而且在高海拔地區(qū)觀測，因為空氣稀薄、氣壓低，記錄設(shè)備都經(jīng)過了特殊制備，比如充氦來維持磁盤內(nèi)氣壓以保證磁頭高速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)記錄，同時我們也通過監(jiān)視記錄數(shù)據(jù)是否滿足高斯分布來判斷數(shù)據(jù)是否正常。我們還需要保持對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)噪聲溫度的連續(xù)測量和記錄，這將是后面黑洞成像重要的幅度校準(zhǔn)輸入。對這些工作，大家都做得一絲不茍，在相互關(guān)心和鼓勵下，即使幾天堅持下來也毫無倦意。觀測就這樣緊張而有序地執(zhí)行著，碰到問題也都能及時解決。EHT項目集結(jié)了國際上毫米波VLBI領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家和技術(shù)人員，這絕對所言非虛。

圖6. EHT觀測的同行在JCMT控制室

后  記

目前，經(jīng)過近兩年的數(shù)據(jù)處理和分析，第一次全球合作的EHT觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)得到結(jié)果，M87星系中央黑洞的圖像也已面世，為驗證廣義相對論提供了最直接的視覺證據(jù)。此時，筆者有幸再次來到JCMT，聽聞它將新安裝一個345GHz的接收機(jī)用來進(jìn)行下一輪EHT觀測，這意味著未來將得到更清楚的VLBI圖像，也是對目前結(jié)果的多重驗證。如果說黑洞的圖像是EHT系統(tǒng)開出來的花朵，那就讓這朵花開得更絢麗些吧

花  絮

在2018年4月的一次觀測結(jié)束返回HP的途中，天剛微微亮，坐在前排的同行突然指著對面莫納羅亞山方向告訴我們他好像看到了火山口有零星的火星冒上來。我們看到后都說是火山噴發(fā)的跡象。而當(dāng)?shù)赝懈嬖V我們，那確實是個活火山，經(jīng)常能看到火星，所以不足為奇。但就在我們觀測結(jié)束后的第二個月，這個活火山劇烈地噴發(fā)了。

[1] The Event Horizon Telescope Collaboration, First M87 Event Horizon Telescope Results I-VI. ApJL,2019

[2] Thompson, A. R., Moran, J. M., & Swenson, Jr., G. W. 2017, Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, 3rd Edition, Astronomy & Astrophysics Library.

[3] http://www.ligo./ 

[4] https:///

[5] https://www./jcmt/

— 快問快答 —

采訪嘉賓：樓宇慶，清華大學(xué)物理系教授、清華天體物理中心教授。

采訪未經(jīng)本人審閱