什麼是視界面望遠鏡？

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2017年，一架地球大小的望遠鏡將有史以來第一次嘗試給一個黑洞拍照，它所獲得的圖像將會造就或者打破我們已知的物理學定律。

在南極廣袤的冰原上有一面射電天線在轉動，在智利海拔近5千米的沙漠中另一面天線則在掃描天空。與此同時，位於美國加利福尼亞州、亞利桑那州和夏威夷以及墨西哥和西班牙的天線也在接收來自宇宙的信號。儘管它們彼此間隔遙遠，但這些射電天線卻一同構成了一個大膽的計劃——一架大小與地球本身相當的望遠鏡。這是事件視界望遠鏡。到2017年年中，我們就能用它來一睹黑洞的心臟。

普通的黑洞是大質量恆星死亡的遺迹，它們的質量從數倍到數十倍於太陽不等。但黑洞的質量絕不限於此，在星系的核心處潛藏著數百萬到數十億倍於太陽的超大質量黑洞。雖然質量巨大，但黑洞卻是宇宙中最緻密的天體。這一極端的緻密程度使得黑洞具有了令人難以置信的超強引力，能夠扭曲其周圍的時空結構。在某一個確定的點——事件視界（簡稱視界）上，黑洞的引力會強大到連光也無法從那裡逃逸。因為那裡的時空曲率會達到極端的數值，所有逃逸路線最終都會直接「折返」回到黑洞。它們興許是宇宙中最「恐怖」的天體。

電影《星際穿越》中黑洞視界附近的計算機模擬圖。圖/Paramount Pictures

挑戰廣義相對論

對於黑洞視界周圍最好的認識來自於愛因斯坦的廣義相對論。提出於100多年前，廣義相對論的方程組描述了物質是如何扭曲其周圍時空結構的。然而，許多物理學家懷疑，在最強的引力場中廣義相對論有可能會失效。黑洞的視界也許是宇宙中廣義相對論不再靈驗的地方。對於尋求將廣義相對論和量子理論統一到一起的物理學家來說，發現廣義相對論的破綻無疑將會是一條激動人心的好消息。如果廣義相對論被證明確有缺陷，這就有可能為一個更深層且更基本的宇宙理論提供線索。

到目前為止，廣義相對論以優異的成績通過了各式各樣的檢驗，其中也包括最近發現的來自黑洞碰撞的引力波。但迄今這些檢驗還都局限在相對較弱的引力場中。銀河系中心黑洞的潮汐力比2015年9月所探測到的黑洞碰撞強1億倍。這使得超大質量黑洞成為了檢驗愛因斯坦廣義相對論的天然實驗室。

其中的關鍵是要尋找到黑洞的「影子」。由於黑洞的強大引力，光會在它周圍環繞打轉。由此會形成一個由光子所組成的環。被這個環所包圍的陰影區被稱為「影子」。愛因斯坦的理論預言它應該大致呈圓形。任何與圓形影子的顯著偏差都視為是廣義相對論失效的證據。

對此進行檢驗的最佳對象是銀河系中心的超大質量黑洞人馬A*。從20世紀90年代中期開始，天文學家們就一直在監測銀河系的中心，發現那裡的恆星在圍繞一個看不見的天體運動。根據這些恆星的運動特性，我們可以推測出銀心黑洞的質量高達太陽的400萬倍。然而，為了使得這些恆星仍停留其穩定的軌道上，該黑洞的視界必須很小——事實上，銀心黑洞的視界半徑大約只有水星繞太陽軌道的三分之一。

事件視界望遠鏡由位於四大洲的射電望遠鏡所組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠鏡的「基線」，由此構成了一架和地球大小相當的望遠鏡。圖/EHT

高解析度

要想通過人馬A*的影子形狀來檢驗廣義相對論，唯一的途徑就是要能看到在其視界近旁所發生的現象。但這又談何容易。人馬A*的視界不僅本身就很小，而且它還遠在26 000光年之外，這讓問題變得難上加難。從原理上講，對於天空中越小的天體，必須要使用更高解析度的望遠鏡才能看到。

看到人馬A*影子所需的解析度是哈勃空間望遠鏡的2000倍，這相當於要能分辨出月球上的一個柚子。對於望遠鏡來說，直徑越大，其解析度就越高。因此，構成事件視界望遠鏡的天線必須要間隔十分遙遠。使用被稱為甚長基線干涉測量的技術，天文學家可以綜合分別位於四大洲的天線所收集到的信號，得到一幅如同一架望遠鏡所看到的圖像，而這架望遠鏡的直徑則與地球相當。

這需要突破現有技術的極限。為了能把這些相距遙遠的信號綜合到一起，需要使用高精度的原子鐘來記錄下信號到達不同望遠鏡的時間。每一秒所記錄下的數據量可達64個GB，與一台iPad的容量相當。每一個觀測結點會存儲下數百TB的數據，然後這些硬碟會被空運到位於美國麻省理工學院的中央機構，在那裡它們會合成出一幅圖像。

位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列中的4面天線，該陣列的加入將會使得事件視界望遠鏡的靈敏度提高10倍。圖/ESO/José Francisco Salgado

拍攝時空

儘管有許多挑戰，但事件視界望遠鏡項目正在有條不紊地進行，有許多望遠鏡已經加入其中。第一批觀測可以追溯到2006年，此後它一直保持著對人馬A*的監測。不過，目前的事件視界望遠鏡還沒有達到直接觀測人馬A*視界所需的解析度。但是，情況即將發生改變。位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列很快就會加入進來，此舉可以把事件視界望遠鏡的靈敏度提高10倍。

阿塔卡馬陣列由許多面射電天線所構成。天文學家們已經測試了一種將其30個接收機加入事件視界望遠鏡的辦法。2017年4月，他們又前往了事件視界望遠鏡的不同站點，開展了進一步的試驗。2017年4月，8處設備構成的視界面望遠鏡對準了兩個黑洞，一個在銀河系的中心，另一個在M87的核心，這是一個據我們大約5000萬光年的巨型橢圓星系。整個觀測過程持續了5天。

觀測不單單能對廣義相對論進行檢驗。銀河系中心400萬個太陽質量的超大質量黑洞看似巨大，但和星系M87中心70億個太陽質量的黑洞比起來卻相形見絀。M87是一個橢圓星系，從它的中心射出了一道長5000光年的巨大噴流。此前事件視界望遠鏡對M87噴流的根部進行了觀測，但形成該噴流的機制依然不明。

天文學家認為這是落向黑洞的物質與強磁場相互作用的結果，但對黑洞視界附近的區域進行觀測是搞清楚其背後物理機制的關鍵。天文學家們想知道物質是如何在磁力線的驅動下被噴射出去的，而這目前只能靠猜，但未來隨著事件視界望遠鏡投入使用，將會有機會第一次目睹這一過程的發生。

觀測物質在黑洞周圍的運動情況，還有助於解釋為什麼銀河系中心的黑洞似乎一直處於「飢餓」狀態。它周圍的物質只有1%掉入了其視界內部。當物質盤旋著掉入黑洞時，會被加熱到極高的溫度，發出X射線輻射。因此，如果人馬A*一直在狼吞虎咽進食物質的話，銀河系中就會充斥著更多的高能輻射，而這顯然是不利於生命起源和演化的。

因此，2017年視界面望遠鏡的觀測不僅能對廣義相對論進行最嚴苛的檢驗，它甚至還能告訴我們為什麼我們能在地球上對其進行檢驗。到目前為止，數據已經一切妥當，除了南極的硬碟需要等到9月份航班恢復後才能運出。在接下來的幾個月中，視界面望遠鏡團隊將關注數據處理和改進，然後搜尋預計中黑洞超強引力給出的信號。我們仍在等待黑洞的第一張照片。

撰文/Colin Stuart 編譯/Shea

（原文鏈接：海外文摘――如何給黑洞拍張照？
視界面望遠鏡項目主頁：Event Horizon Telescope）

謝謝邀請簡單來說就是想看清我們銀河系中心黑洞視界面的一個望遠鏡網路和之前的望遠鏡不同之處在於使用的是亞毫米波波段全球位於不同州的望遠鏡構成一個網路利用成熟的相干技術基線長度達到了地球尺度從而解析度可以分清黑洞的視界面在四月五號到14號之間團隊將進行四個晚上的觀測之後的數據數據處理需要至少半年的時間估計2018年初有可能有結果具體信息可以看我寫的文章鏈接如下 https://zhuanlan.zhihu.com/p/26180103

就是用來看黑洞視界面的射電望遠鏡陣列