返朴 2019-04-11
索隆之眼正在注视人类。
北京时间4月10日21时（15:00 CEST），全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜”【Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration】组织在全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）同步召开新闻发布会，发布了人类历史上首张黑洞照片。这张照片来自距我们有5500万光年之遥的近邻巨椭圆星系M87的中心（上图）。
撰文 |江悟、路如森、高峰（中国科学院上海天文台）
黑洞，可以拍照！？
一百多年前的爱因斯坦广义相对论预言，宇宙中可能存在黑洞，其体积无限小而密度无限大，强大的引力场引起时空扭曲，形成光也无法逃逸的“事件视界”面（有关“事件视界”，详见系列文章和相关论文[1]）。天文学家相信黑洞确实存在，并认为几乎所有的星系中央都存在黑洞，在那里其“体重”可以成长到几百万或数十亿倍太阳质量。
尽管有理论和越来越多天文观测的佐证，但我们还从未直接见过黑洞。“事件视界”望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）是第一个专为获取黑洞影像的实验计划。它选取了我们银河系中央和室女系M87中央这两个“事件视界”半径最大的黑洞作为首要目标来验证爱因斯坦的广义相对论。EHT拍摄的不是黑洞本身的图像，而是这两个黑洞在光子捕获半径处（光子捕获半径稍大于“事件视界”半径）所呈现的光圈和内部“事件视界”及引力透镜下产生的阴影，以及快速旋转和相对论波束效应形成的看起来像月牙形状的图像。目前，拍摄黑洞图像的最佳波长是在EHT工作的1毫米波段，这个观测波段可以拍摄到靠近黑洞周围的区域而不受同步自吸收产生的遮挡。工作在1毫米波段，口径如地球直径大小的望远镜才可以用来拍摄黑洞的图像。而位于上海的65米天马射电望远镜则工作在长毫米波以上波段，在EHT观测期间也联合其他望远镜主要对黑洞外围大尺度结构如喷流等进行监视。
欲善其事，先利其器
天文望远镜的两个重要参数是灵敏度和分辨率，通俗一点讲就是“看得见”和“看得清”的本领，这两者都与望远镜的尺寸或者说口径正相关。提高两者水平的常规做法就是往大里做，比如我国的FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope） 500米射电望远镜和正在参与筹建的TMT（Thirty Meter Telescope）30米光学望远镜。但受到建设成本和制造工艺等方面的限制，单台望远镜的最大尺寸存在上限，往往观测频率越高，最大尺寸就越小。
此外也有独辟蹊径的方法，比如EHT采用的干涉测量技术。它可以将分布在不同地方相距很远的望远镜联合起来，组成一个口径相当于望远镜之间距离（天文专业术语叫做“基线”）而不单是单台望远镜口径的超大望远镜。其基本原理可以追溯到迈克尔逊干涉仪。简单地讲，频率相同、振动方向相同且相位差恒定（即满足干涉条件）的两束光（电磁波）交汇在一起就能够发生干涉。两束光经过不同的路程和介质（光程差）就会产生不同的干涉图样，从而可以根据干涉图样反演光源的特性。
天文学上典型的应用包括射电波段的干涉仪[2]，它又细分为综合孔径和甚长基线干涉仪；而光学波段有著名的探测到引力波的激光干涉仪[3]。射电波段和光学波段的干涉仪曾分别现身于1974年和2017年的诺贝尔物理学奖。本文讲述的黑洞“事件视界”望远镜[1, 4]是射电波段干涉仪中的一种甚长基线干涉仪（Very Long Baseline Interferometer， VLBI），也是目前世界上射电毫米波段观测频率最高、分辨本领最好的干涉仪。众所周知，观测频率越高，对望远镜的要求和建设难度就越高。因为角分辨率（即空间分辨率）可以用波长除以基线长度表示，频率越高波长越短，角分辨率也越高，此时远处很小的物体也能辨别出来。EHT的分辨本领强到什么程度？可以打个比方，月球上放一个乒乓球都可以看得很清楚。所以，即使距离我们很远的银河系中央的黑洞（8 kpc，合2.6万光年；光年是长度单位，指光走一年的距离）和室女系M87中央黑洞（16.8 Mpc，合5480万光年），也能看清楚它们黑洞周围“事件视界”尺度的形态，这也是“事件视界”望远镜名字的由来。
谈到天文观测就不得不提及大气窗口。我们知道，地球的大气是我们人类赖以生存的基础，比如大气保证了地球上氧气和水循环的存在，并阻挡了外界物质（大部分紫外线、太阳风和陨石等）的侵扰，但同时也阻挡了部分有用的电磁波到达地表，如图1所示。
图1. 地球“大气窗口”
上图横轴为波长，纵轴为大气不透明度。
下图从左到右注释文字依次是：
1 伽马射线、X射电和紫外波段被外层大气阻挡（最适宜在空间观测）；
2 可见光波段能在地面观测，部分有大气失真；
3 绝大部分红外光谱被大气气体吸收（最适宜在空间观测）；
4 无线电波段可在地面观测；
5 长波无线电被大气阻挡。
所以，地面的天文观测大多只能在最终透射经过大气层能够到达地表的波段进行，比如大部分无线电波段和可见光波段，分别对应射电望远镜和光学望远镜观测所在波段。（亚）毫米波段和部分光学波段透射率也很低，需要选择在合适的台址（一般是高海拔、干燥、气候条件稳定）或者大气层外观测，而红外和高能观测因为几乎完全不能透射到地表则最好是在地球大气层外观测。
EHT（https://eventhorizontelescope.org/）是一个集合了全世界具备（亚）毫米波观测能力的VLBI台站组成的口径如地球直径大小的超大干涉阵（图2）。目前已经有覆盖地球南北两极、南北美洲和欧洲等地的望远镜参与进来。主要工作频率在230GHz附近（4G手机通信中间频率约2.3GHz），对应波长1.3毫米。这个项目从2006年最初开展测试实验到现在发展成囊括台站观测、数据处理、理论分析、仿真模拟、结果发表以及对外发布等分工协作、组织严密的超过200人参与的国际性大科学工程。自从位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA）作为一个VLBI台站参与到EHT观测中以后，EHT的灵敏度得到很大的提升，使得对银河系中央黑洞和M87星系中央黑洞成像成为可能。 …
