索隆之眼正在諦視人類。

海說神聊京時候4月10日21時（15:00CEST），全球多國科研人員合作的“事務視界千里鏡”【EventHorizonTelescope(EHT)Collaboration】組織在全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺海說神聊、日本東京和美國華盛頓）同步召開新聞發布會，發布了人類汗青上首張黑洞照片。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的中間（上圖）。

撰文 | 江悟、路如森、岑嶺（中國科學院上海天文臺）

黑洞，可以攝影！？

一百多年前的愛因斯坦廣義相對論預言，宇宙中可能存在黑洞，其體積無限小而密度無限大，壯大的引力場引起時空扭曲，形當作光也無法逃逸的“事務視界”面（有關“事務視界”，詳見系列文章和相關論文[1]）。天文學家相信黑洞確實存在，并認為幾乎所有的星系中心都存在黑洞，在那邊其“體重”可以當作長到幾百萬或數十億倍太陽質量。

盡管有理論和越來越多天文不雅測的佐證，但我們還從未直接見過黑洞。“事務視界”千里鏡（Event Horizon Telescope，EHT）是第一個專為獲取黑洞影像的嘗試打算。它拔取了我們銀河系中心和室女系M87中心這兩個“事務視界”半徑最大的黑洞作為首要方針來驗證愛因斯坦的廣義相對論。EHT拍攝的不是黑洞自己的圖像，而是這兩個黑洞在光子捕捉半徑處（光子捕捉半徑稍大于“事務視界”半徑）所呈現的光圈和內部“事務視界”及引力透鏡下發生的暗影，以及快速扭轉和相對論波束效應形當作的看起來像新月外形的圖像。今朝，拍攝黑洞圖像的最佳波長是在EHT工作的1毫米波段，這個不雅測波段可以拍攝到接近黑洞四周的區域而不受同步自接收發生的遮擋。工作在1毫米波段，口徑如地球直徑巨細的千里鏡才可以用來拍攝黑洞的圖像。而位于上海的65米天馬射電千里鏡則工作在長毫米波以上波段，在EHT不雅測時代也結合其他千里鏡本家兒要對黑洞外圍大標準布局如噴流等進行監督。

欲善其事，先利其器

天文千里鏡的兩個主要參數是活絡度和分辯率，通俗一點講就是“看得見”和“看得清”的本事，這兩者都與千里鏡的尺寸或者說口徑正相關。提高兩者程度的常規做法就是往大里做，好比我國的FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）500米射電千里鏡和正在介入籌建的TMT（Thirty Meter Telescope）30米光學千里鏡。但受到扶植當作本和制造工藝等方面的限制，單臺千里鏡的最大尺寸存在上限，往往不雅測頻率越高，最大尺寸就越小。

此外也有獨辟門路的方式，好比EHT采用的干與測量手藝。它可以將分布在分歧處所相距很遠的千里鏡結合起來，構成一個口徑半斤八兩于千里鏡之間距離（天文專業術語叫做“基線”）而不單是單臺千里鏡口徑的超大千里鏡。其根基道理可以追溯到邁克爾遜干與儀。簡單地講，頻率不異、振動偏向不異且相位差恒心猿意馬（即知足干與前提）的兩束光（電磁波）交匯在一路就可以或許發生干與。兩束光顛末分歧的旅程和介質（光程差）就會發生分歧的干與圖樣，從而可以按照干與圖樣反演光源的特征。

天文學上典型的應用包羅射電波段的干與儀[2]，它又細分為綜合孔徑和甚長基線干與儀；而光學波段有聞名的探測到引力波的激光干與儀[3]。射電波段和光學波段的干與儀曾別離現身于1974年和2017年的諾貝爾物理學獎。本文講述的黑洞“事務視界”千里鏡[1, 4]是射電波段干與儀中的一種甚長基線干與儀（Very Long Baseline Interferometer， VLBI），也是今朝宿世界上射電毫米波段不雅測頻率最高、分辯本事最好的干與儀。眾所周知，不雅測頻率越高，對千里鏡的要乞降扶植難度就越高。因為角分辯率（即空間分辯率）可以用波長除以基線長度暗示，頻率越高波長越短，角分辯率也越高，此時遠處很小的物體也能分辨出來。EHT的分辯本事強到什么水平？可以打個例如，月球上放一個乒乓球都可以看得很清晰。所以，即使距離我們很遠的銀河系中心的黑洞（8kpc，合2.6萬光年；光年是長度單元，指光走一年的距離）和室女系M87中心黑洞（16.8 Mpc，合5480萬光年），也能看清晰它們黑洞四周“事務視界”標準的形態，這也是“事務視界”千里鏡名字的由來。

談到天文不雅測就不得不說起大氣窗口。我們知道，地球的大氣是我們人類賴以保存的根本，好比大氣包管了地球上氧氣和水輪回的存在，并反對了外界物質（大部門紫外線、太陽風和隕石等）的侵擾，但同時也反對了部門有效的電磁波達到地表，如圖1所示。

圖1. 地球“大氣窗口”

上圖橫軸為波長，縱軸為大氣不透明度。

下圖從左到右注釋文字依次是：

1伽馬射線、X射電和紫外波段被外層大氣反對（最適宜在空間不雅測）；

2可見光波段能在地面不雅測，部門有大氣掉真；

3絕大部門紅外光譜被大氣氣體接收（最適宜在空間不雅測）；

4無線電波段可在地面不雅測；

5長波無線電被大氣反對。

所以，地面的天文不雅測大多只能在最終透射顛末大氣層可以或許達到地表的波段進行，好比大部門無線電波段和可見光波段，別離對應射電千里鏡和光學千里鏡不雅測地點波段。（亞）毫米波段和部門光學波段透射率也很低，需要選擇在合適的臺址（一般是高海拔、干燥、天氣前提不變）或者大氣層外不雅測，而紅外和高能不雅測因為幾乎完全不克不及透射到地表則最好是在地球大氣層外不雅測。

EHT（https://eventhorizontelescope.org/）是一個調集了全宿世界具備（亞）毫米波不雅測能力的VLBI臺站構成的口徑如地球直徑巨細的超大干與陣（圖2）。今朝已經有籠蓋地球南海說神聊南北極、南海說神聊美洲和歐洲等地的千里鏡介入進來。本家兒要工作頻率在230GHz四周（4G手機通信中心頻率約2.3GHz），對應波長1.3毫米。這個項目從2006年最初開展測試嘗試到此刻成長當作囊括臺站不雅測、數據處置、理論闡發、仿真模擬、成果頒發以及對外發布等分工協作、組織嚴密的跨越200人介入的國際性大科學工程。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臺站介入到EHT不雅測中今后，EHT的活絡度獲得很大的晉升，使得對銀河系中心黑洞和M87星系中心黑洞當作像當作為可能。

圖2. EHT臺站全球分布圖[1]。ALMA（AtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray）阿塔卡馬大型毫米波陣(~37×12m)，位于智利；APEX（AtacamaPathfinderExperiment）阿塔卡馬探路者嘗試千里鏡(12m)，位于智利；CARMA（CombinedArrayforResearchinMillimeter-waveAstronomy）毫米波天文學研究用組合陣列(8×{10.4,6.1}m)，位于美國加州；CSO（CaltechSubmillimeterObservatory）加州理工學院次毫米天文臺(10m)，位于夏威夷；GLT（GreenlandTelescope）格陵蘭千里鏡(12m)，位于格陵蘭西海說神聊部；IRAM（InstitutdeRadioastronomieMillimétrique）毫米波射電天文所的30米毫米波千里鏡(30m)，位于西班牙；JCMT（JamesClerkMaxwellTelescope）麥克斯韋千里鏡(15m)，位于夏威夷；KP(KittPeakNationalObservatory)基特峰國度天文臺(12m)，位于美國亞利桑那州；LMT（LargeMillimeterTelescopeAlfonsoSerrano）大型毫米波千里鏡(32.5m)，位于墨西哥；NOEMA(NorthernExtendedMillimeterArray)海說神聊方擴展毫米陣列(12×15m)，位于法國；SMA（SubmillimeterArray）亞毫米波千里鏡(7×6m)，位于夏威夷；SMT（Sub-MillimeterTelescope）(10m)，位于美國亞利桑那州；SPT（SouthPoleTelescope）南極千里鏡(6m)，位于南極。

2017年起頭，EHT決議協調組織整個陣列的結合不雅測，考慮到對氣候前提極其苛刻的要乞降南海說神聊半球的天氣差別，不雅測時候選心猿意馬在每年的4月份前后，視氣候前提遴選出5天實施不雅測。屆時全球各合作單元、千里鏡所屬機構積極響應，為每年這5天不雅測提前精心籌謀，保障不雅測滿有把握。上海天文臺作為國內VLBI偏向的牽頭單元，也是東亞地域東亞天文臺所屬千里鏡詹姆斯·克拉克·麥克斯韋千里鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）VLBI運營撐持方之一，每年JCMT在EHT不雅測時代，我們城市前往臺站現場和其他國際同業一路執行不雅測，是以有幸在臺站不雅測這個主要環節介入此中，感觸感染到EHT進步前輩的前沿手藝、科學的嚴謹、工作做到極致的立場和國際分工合作之間的默契。

相機中的相機

JCMT[5]是最早介入EHT測試嘗試的本家兒要臺站，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，它蓋住了來自承平洋的絕大部門暖流，所以莫納克亞山頂常年干燥少雨，是宿世界上少有的抱負天文不雅測臺址。除JCMT外，還有良多天文千里鏡結構在這個山頂（圖3），說它是頂級天文不雅測基地也不為過，未來TMT也會在這里落腳。

圖3前排中心位置的就是JCMT，口徑15米，最早于1987年起頭不雅測運行，是早期最大的工作在亞毫米波段（今朝最短不雅測波長450微米）的單口徑千里鏡，2015年3月份起頭歸屬東亞天文臺。

圖3. Mauna Kea山頂天文望運鏡，前排居中即為JCMT

JCMT千里鏡的本家兒反射鏡面是由276塊輕巧的鋁塑夾雜板構成15米口徑的拋物面，本家兒反射面下有可調節的支撐布局，包管本家兒面不受重力變形的影響，面板精度可以或許達到24微米。副反射面也是三維可動，用來調焦和順應本家兒面。千里鏡整體被安裝在一個圓柱形塔臺上，塔臺可以像扭轉木馬一樣做圓周扭轉，這樣包管千里鏡能不雅測整個方位360度的方針源。而在俯仰偏向，安裝了用特別材料制當作只有細小衰減的弧形透射膜，可以讓JCMT能領受到俯仰規模內的旌旗燈號而不受外屆風力和降雨等的影響。

給黑洞攝影之旅

EHT不雅測的初步時候放置一般在中國夏歷年前，會提前3個月擺布發布，我們前往加入不雅測的人員此時就起頭和臺站機構聯系，領會和熟悉臺站設備狀況、規劃行程、籌辦臺站地點國的簽證等。上海到夏威夷每周都有幾趟直達航班，相對比力便利，從夏威夷再到大島也只要1小時的飛機。東亞天文臺辦公樓在大島的希洛市，緊鄰夏威夷大學，和各類天文千里鏡的總部在一路。在東亞天文臺，我們和日韓臺灣地域的同業將接管一些面臨高原情況的培訓，簡單來說就是多看少動，多喝水。當然此外還有良多需要注重的細節，這里儲蓄了良多保障舉措措施，也堆集了良多經驗，根基可以安心隨行。有了根基的籌辦后，我們就朝山頂驅車進步了。

圖4. JCMT塔臺和內部千里鏡

沿路風光垂垂由富強的雨林釀成低矮的灌木叢，然后當作了黑色火山灰籠蓋下的土丘，呼吸也因海拔的上升逐漸變得繁重起來。驅車大要四五十分鐘后，我們來到了位于海拔2800米處的半山腰基地（Hale Pohaku，簡稱HP）。按照劃定，初度去山頂不雅測的人員需要在這個基地至少待上一晚以順應高原情況，同時也限制在山頂一天內的逗留時候不克不及跨越12小時，所以每次去山頂不雅測一段時候后都必需返回HP調整。在HP，EHT同業分當作兩個小組，別離負責前三更和后三更的不雅測。在這里，大師一方面存眷山頂的氣候，一方面期待EHT最終不雅測的通知。因為全球所有介入臺站都需要具備很好的設備狀況并知足苛刻的氣候前提，往往當天晚上的不雅測鄙人午3點擺布才最終確定。HP為來訪者供給了很好的勾當空間和物質保障，對天文學家來說，這也是一次可貴的與同業當面交流的機遇，所以大師都喜好圍坐在一路交流和會商。

在短暫的期待后，終于迎來了EHT的不雅測，大要再驅車30分鐘，我們達到山頂，路邊根基沒有植被，只看到火山灰聚積當作的沙丘和來不及融化的積雪。達到千里鏡后，就起頭擺設不雅測使命。我們一般提前查抄設備狀況，確認各個環節都正常，JCMT旁邊還有一個亞毫米波陣列SMA（Submillimeter Array），每次正式不雅測前都和它做一次測試不雅測，來確認兩者的狀況是否都正常。

圖5. 位于半山腰的HP基地

凡是，我們很快就能確認獲得暗示設備正常的干與條紋，然后就可以著手籌辦正式執行不雅測使命。JCMT在被東亞天文臺接管之前本家兒要進行單天線不雅測，并不具備VLBI不雅測能力，所以JCMT本地有經驗的不雅測同業會幫我們節制天線，好比操作天線瞄準方針源，每隔一段時候進行指標的目的確認和對焦等。EHT同業則本家兒要存眷VLBI旌旗燈號領受鏈路的狀況，好比監督用來混頻的本振旌旗燈號源，監督用來高速采集和記實原始數據的設備狀況。前面提到干與要求兩路電磁波頻率不異、相位差恒心猿意馬，在EHT不雅測過程中，我們要求230GHz四周的旌旗燈號連結不會發生1Hz頻率誤差。并且在高海拔地域不雅測，因為空氣稀薄、氣壓低，記實設備都顛末了特別制備，好比充氦來維持磁盤內氣壓以包管磁頭高速運轉平穩記實，同時我們也經由過程監督記實數據是否知足高斯分布來判定數據是否正常。我們還需要連結對千里鏡系統噪聲溫度的持續測量和記實，這將是后面黑洞當作像主要的幅度校準輸入。對這些工作，大師都做得一絲不茍，在彼此關心和鼓動勉勵下，即使幾天對峙下來也毫無倦意。不雅測就這樣嚴重而有序地執行著，碰著問題也都能實時解決。EHT項目集結了國際上毫米波VLBI范疇頂尖的科學家和手藝人員，這絕對所言非虛。

圖6. EHT不雅測的同業在JCMT節制室

后 記

今朝，顛末近兩年的數據處置和闡發，第一次全球合作的EHT不雅測數據已經獲得成果，M87星系中心黑洞的圖像也已面宿世，為驗證廣義相對論供給了最直接的視覺證據。此時，筆者有幸再次來到JCMT，聽聞它將新安裝一個345GHz的領受機用來進行下一輪EHT不雅測，這意味著將來將獲得更清晰的VLBI圖像，也是對今朝成果的多重驗證。若是說黑洞的圖像是EHT系統開出來的花朵，那就讓這朵花開得更燦艷些吧

花 絮

在2018年4月的一次不雅測竣事返回HP的途中，天剛微微亮，坐在前排的同業俄然指著對面莫納羅亞山偏向告訴我們他仿佛看到了火山口有零散的火星冒上來。我們看到后都說是火山噴發的跡象。而本地同業告訴我們，那確實是個活火山，經常能看到火星，所以層見迭出。但就在我們不雅測竣事后的第二個月，這個活火山猛烈地噴發了。

本家兒要參考資料

[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.caltech.edu/

[4]https://eventhorizontelescope.org/

[5]https://www.eaobservatory.org/jcmt/

—快問快答—

采訪嘉賓：樓宇慶，清華大學物理系傳授、清華天體物理中間傳授。

Q：所謂“拍攝黑洞”素質是什么意思？我們是經由過程什么“看”到黑洞的？

樓宇慶：球對稱的靜止黑洞有一個“事務視界”（eventhorizon)，也稱Schwarzschild半徑。在其內的物質和光子都無法逃逸出來，所以稱為“黑洞”。持久以來，我們一向經由過程黑洞與周邊的物質和輻射場的感化（例如經常提到的吸積盤）來猜測黑洞的存在及估量其物理參數。軸對稱的扭轉黑洞（Kerr解）有其響應的“事務視界”，根基物理理解同上。扭轉黑洞四周時空會被嚴重彎曲拖曳，快速扭轉的吸積盤物質的電磁輻射在此彎曲時空中傳布當作像。人們可以經由過程此類模子的參數調整擬合與不雅測到的吸積盤物質的電磁輻射像來獲取黑洞“事務視界”的輪廓像。我們是在這個意義上“拍攝黑洞”或稱“看”到黑洞的。

Q：為什么EHT(EventHorizonTelescope)會選擇銀河系中間和室女系M87中間這兩個“事務視界”半徑最大的黑洞作為首要方針？此中M87距我們有5000多萬光年之遙，其當作像難度是不是比距我們2.6萬光年的處于銀河系中間的黑洞大良多？

樓宇慶：EHT在毫米波段運用的甚長基線干與陣列手藝(VeryLongBaselineInterferometry--VLBI)有很是高的角分辯率，又因為有十多個毫米波千里鏡和陣列的配合介入，EHT的活絡度空前地高。EHT的角分辯率可以用1毫米（不雅測波長）來除以1萬公里（約地球直徑）來大致估量，即百億分之一。銀河系中間的黑洞和室女系M87(Messier87,alsoknownasVirgoAorNGC4486)中間的黑洞都屬于所謂的超大質量黑洞(SupermassiveBlackHole--SMBH)，前者是400萬太陽質量，后者是64億太陽質量。Schwarzschild半徑Rsch=2GM/c^2，這里G是萬有引力常數，M是黑洞質量，c是真空中的光速；故太陽質量對應的Schwarzschild半徑約是3公里。請注重，Schwarzschild半徑與黑洞質量M當作線性比例。EHT選擇較近的超大質量黑洞作為首要方針是天然合理的。再注重，5000多萬光年與2.6萬光年的比值約2000。64億太陽質量的超大質量黑洞與4百萬太陽質量的超大質量黑洞的比值約1600。故兩個黑洞看起來巨細差不多。這就是為什么EHT同時選擇這兩個方針進行不雅測。

Q：天體物理一般怎么處置不雅測數據和模子之間的關系？該若何評估數據闡發的可托度？

樓宇慶：在此次EHT的不雅測中，我們想象有吸積盤，吸積盤有輻射，里面有黑洞，黑洞或許仍是扭轉的，會極端拖拽扭曲時空，周邊的吸積盤可能是以相對論速度在轉，輻射出來的工具此刻能看到的只是毫米波段的，最終能看到光子在扭曲的時空里怎么走。這個模子里有良多參數，好比黑洞質量、吸積盤離黑洞的距離、吸積盤質量、吸積盤巨細、吸積盤往外延長多遠、吸積盤是否平整，甚至吸積盤里等效的粘滯系數等一系列的參數都不是很確定。但無論若何，我們構建一個模子，有些參數相對更靠得住一些，有些差一點，然后按照參數當作像。參數需要頻頻調整，最后據此制造一個模子的像，使之跟千里鏡的像附近。那么會不會有其他參數也能當作同樣的像？原則上有可能，統一個像有可能對應著幾種分歧的參數，參數紛歧樣圖像就紛歧樣，意味著數據闡發的成果并不唯一。但可以按照其他一些身分進行闡發，最終猜測是否只有某一種最為合理。若是成果不那么惟一，理論家之間就會對模子有所爭執，但仿照照舊會按照已知的信息判定哪一個更為合理一點，日后有前提再進行自力驗證。有些研究的成果聽起來長短常合理的，好比HansBethe的熱核反映，計較和理論估計吻合得很好，可是都涉及模子的構建問題。

采訪未經本人核閱

樓宇慶：哈佛大學物理博士（1987年），國度基金委海外精采青年學者，教育部長江特聘傳授，清華大學物理系傳授、清華天體物理中間和清華-國度天文臺結合天體物理研究中間傳授。曾在美國國度大氣研究中間的高山天文臺和高檔研究項目部、阿拉斯加大學地球物理研究所和芝加哥大學天文與天體物理系從事太陽物理、空間物理和天體物理等相關范疇的流體和磁流體研究工作，別離本家兒持和介入過美國和中國的多項科學研究項目。

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