索隆之眼正在谛视人类。

海说神聊京时候4月10日21时（15:00CEST），全球多国科研人员合作的“事务视界千里镜”【EventHorizonTelescope(EHT)Collaboration】组织在全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台海说神聊、日本东京和美国华盛顿）同步召开新闻发布会，发布了人类汗青上首张黑洞照片。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的中间（上图）。

撰文 | 江悟、路如森、岑岭（中国科学院上海天文台）

黑洞，可以摄影！？

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，壮大的引力场引起时空扭曲，形当作光也无法逃逸的“事务视界”面（有关“事务视界”，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心都存在黑洞，在那边其“体重”可以当作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不雅测的佐证，但我们还从未直接见过黑洞。“事务视界”千里镜（Event Horizon Telescope，EHT）是第一个专为获取黑洞影像的尝试打算。它拔取了我们银河系中心和室女系M87中心这两个“事务视界”半径最大的黑洞作为首要方针来验证爱因斯坦的广义相对论。EHT拍摄的不是黑洞自己的图像，而是这两个黑洞在光子捕捉半径处（光子捕捉半径稍大于“事务视界”半径）所呈现的光圈和内部“事务视界”及引力透镜下发生的暗影，以及快速扭转和相对论波束效应形当作的看起来像新月外形的图像。今朝，拍摄黑洞图像的最佳波长是在EHT工作的1毫米波段，这个不雅测波段可以拍摄到接近黑洞四周的区域而不受同步自接收发生的遮挡。工作在1毫米波段，口径如地球直径巨细的千里镜才可以用来拍摄黑洞的图像。而位于上海的65米天马射电千里镜则工作在长毫米波以上波段，在EHT不雅测时代也结合其他千里镜本家儿要对黑洞外围大标准布局如喷流等进行监督。

欲善其事，先利其器

天文千里镜的两个主要参数是活络度和分辩率，通俗一点讲就是“看得见”和“看得清”的本事，这两者都与千里镜的尺寸或者说口径正相关。提高两者程度的常规做法就是往大里做，好比我国的FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）500米射电千里镜和正在介入筹建的TMT（Thirty Meter Telescope）30米光学千里镜。但受到扶植当作本和制造工艺等方面的限制，单台千里镜的最大尺寸存在上限，往往不雅测频率越高，最大尺寸就越小。

此外也有独辟门路的方式，好比EHT采用的干与测量手艺。它可以将分布在分歧处所相距很远的千里镜结合起来，构成一个口径半斤八两于千里镜之间距离（天文专业术语叫做“基线”）而不单是单台千里镜口径的超大千里镜。其根基道理可以追溯到迈克尔逊干与仪。简单地讲，频率不异、振动偏向不异且相位差恒心猿意马（即知足干与前提）的两束光（电磁波）交汇在一路就可以或许发生干与。两束光颠末分歧的旅程和介质（光程差）就会发生分歧的干与图样，从而可以按照干与图样反演光源的特征。

天文学上典型的应用包罗射电波段的干与仪[2]，它又细分为综合孔径和甚长基线干与仪；而光学波段有闻名的探测到引力波的激光干与仪[3]。射电波段和光学波段的干与仪曾别离现身于1974年和2017年的诺贝尔物理学奖。本文讲述的黑洞“事务视界”千里镜[1, 4]是射电波段干与仪中的一种甚长基线干与仪（Very Long Baseline Interferometer， VLBI），也是今朝宿世界上射电毫米波段不雅测频率最高、分辩本事最好的干与仪。众所周知，不雅测频率越高，对千里镜的要乞降扶植难度就越高。因为角分辩率（即空间分辩率）可以用波长除以基线长度暗示，频率越高波长越短，角分辩率也越高，此时远处很小的物体也能分辨出来。EHT的分辩本事强到什么水平？可以打个例如，月球上放一个乒乓球都可以看得很清晰。所以，即使距离我们很远的银河系中心的黑洞（8kpc，合2.6万光年；光年是长度单元，指光走一年的距离）和室女系M87中心黑洞（16.8 Mpc，合5480万光年），也能看清晰它们黑洞四周“事务视界”标准的形态，这也是“事务视界”千里镜名字的由来。

谈到天文不雅测就不得不说起大气窗口。我们知道，地球的大气是我们人类赖以保存的根本，好比大气包管了地球上氧气和水轮回的存在，并反对了外界物质（大部门紫外线、太阳风和陨石等）的侵扰，但同时也反对了部门有效的电磁波达到地表，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反对（最适宜在空间不雅测）；

2可见光波段能在地面不雅测，部门有大气掉真；

3绝大部门红外光谱被大气气体接收（最适宜在空间不雅测）；

4无线电波段可在地面不雅测；

5长波无线电被大气反对。

所以，地面的天文不雅测大多只能在最终透射颠末大气层可以或许达到地表的波段进行，好比大部门无线电波段和可见光波段，别离对应射电千里镜和光学千里镜不雅测地点波段。（亚）毫米波段和部门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、天气前提不变）或者大气层外不雅测，而红外和高能不雅测因为几乎完全不克不及透射到地表则最好是在地球大气层外不雅测。

EHT（https://eventhorizontelescope.org/）是一个调集了全宿世界具备（亚）毫米波不雅测能力的VLBI台站构成的口径如地球直径巨细的超大干与阵（图2）。今朝已经有笼盖地球南海说神聊南北极、南海说神聊美洲和欧洲等地的千里镜介入进来。本家儿要工作频率在230GHz四周（4G手机通信中心频率约2.3GHz），对应波长1.3毫米。这个项目从2006年最初开展测试尝试到此刻成长当作囊括台站不雅测、数据处置、理论阐发、仿真模拟、成果颁发以及对外发布等分工协作、组织严密的跨越200人介入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台站介入到EHT不雅测中今后，EHT的活络度获得很大的晋升，使得对银河系中心黑洞和M87星系中心黑洞当作像当作为可能。

图2. EHT台站全球分布图[1]。ALMA（AtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray）阿塔卡马大型毫米波阵(~37×12m)，位于智利；APEX（AtacamaPathfinderExperiment）阿塔卡马探路者尝试千里镜(12m)，位于智利；CARMA（CombinedArrayforResearchinMillimeter-waveAstronomy）毫米波天文学研究用组合阵列(8×{10.4,6.1}m)，位于美国加州；CSO（CaltechSubmillimeterObservatory）加州理工学院次毫米天文台(10m)，位于夏威夷；GLT（GreenlandTelescope）格陵兰千里镜(12m)，位于格陵兰西海说神聊部；IRAM（InstitutdeRadioastronomieMillimétrique）毫米波射电天文所的30米毫米波千里镜(30m)，位于西班牙；JCMT（JamesClerkMaxwellTelescope）麦克斯韦千里镜(15m)，位于夏威夷；KP(KittPeakNationalObservatory)基特峰国度天文台(12m)，位于美国亚利桑那州；LMT（LargeMillimeterTelescopeAlfonsoSerrano）大型毫米波千里镜(32.5m)，位于墨西哥；NOEMA(NorthernExtendedMillimeterArray)海说神聊方扩展毫米阵列(12×15m)，位于法国；SMA（SubmillimeterArray）亚毫米波千里镜(7×6m)，位于夏威夷；SMT（Sub-MillimeterTelescope）(10m)，位于美国亚利桑那州；SPT（SouthPoleTelescope）南极千里镜(6m)，位于南极。

2017年起头，EHT决议协调组织整个阵列的结合不雅测，考虑到对气候前提极其苛刻的要乞降南海说神聊半球的天气差别，不雅测时候选心猿意马在每年的4月份前后，视气候前提遴选出5天实施不雅测。届时全球各合作单元、千里镜所属机构积极响应，为每年这5天不雅测提前精心筹谋，保障不雅测满有把握。上海天文台作为国内VLBI偏向的牵头单元，也是东亚地域东亚天文台所属千里镜詹姆斯·克拉克·麦克斯韦千里镜（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）VLBI运营撑持方之一，每年JCMT在EHT不雅测时代，我们城市前往台站现场和其他国际同业一路执行不雅测，是以有幸在台站不雅测这个主要环节介入此中，感触感染到EHT进步前辈的前沿手艺、科学的严谨、工作做到极致的立场和国际分工合作之间的默契。

相机中的相机

JCMT[5]是最早介入EHT测试尝试的本家儿要台站，它位于美国夏威夷州大岛（Big Island）上莫纳克亚（Mauna Kea）山顶，海拔4092米处。莫纳克亚山是一座死火山，位于它西南面还有一座相似高度的活火山莫纳罗亚山，它盖住了来自承平洋的绝大部门暖流，所以莫纳克亚山顶常年干燥少雨，是宿世界上少有的抱负天文不雅测台址。除JCMT外，还有良多天文千里镜结构在这个山顶（图3），说它是顶级天文不雅测基地也不为过，未来TMT也会在这里落脚。

图3前排中心位置的就是JCMT，口径15米，最早于1987年起头不雅测运行，是早期最大的工作在亚毫米波段（今朝最短不雅测波长450微米）的单口径千里镜，2015年3月份起头归属东亚天文台。

图3. Mauna Kea山顶天文望运镜，前排居中即为JCMT

JCMT千里镜的本家儿反射镜面是由276块轻巧的铝塑夹杂板构成15米口径的抛物面，本家儿反射面下有可调节的支撑布局，包管本家儿面不受重力变形的影响，面板精度可以或许达到24微米。副反射面也是三维可动，用来调焦和顺应本家儿面。千里镜整体被安装在一个圆柱形塔台上，塔台可以像扭转木马一样做圆周扭转，这样包管千里镜能不雅测整个方位360度的方针源。而在俯仰偏向，安装了用特别材料制当作只有细小衰减的弧形透射膜，可以让JCMT能领受到俯仰规模内的旌旗灯号而不受外届风力和降雨等的影响。

给黑洞摄影之旅

EHT不雅测的初步时候放置一般在中国夏历年前，会提前3个月摆布发布，我们前往加入不雅测的人员此时就起头和台站机构联系，领会和熟悉台站设备状况、规划行程、筹办台站地点国的签证等。上海到夏威夷每周都有几趟直达航班，相对比力便利，从夏威夷再到大岛也只要1小时的飞机。东亚天文台办公楼在大岛的希洛市，紧邻夏威夷大学，和各类天文千里镜的总部在一路。在东亚天文台，我们和日韩台湾地域的同业将接管一些面临高原情况的培训，简单来说就是多看少动，多喝水。当然此外还有良多需要注重的细节，这里储蓄了良多保障举措措施，也堆集了良多经验，根基可以安心随行。有了根基的筹办后，我们就朝山顶驱车进步了。

图4. JCMT塔台和内部千里镜

沿路风光垂垂由富强的雨林酿成低矮的灌木丛，然后当作了黑色火山灰笼盖下的土丘，呼吸也因海拔的上升逐渐变得繁重起来。驱车大要四五十分钟后，我们来到了位于海拔2800米处的半山腰基地（Hale Pohaku，简称HP）。按照划定，初度去山顶不雅测的人员需要在这个基地至少待上一晚以顺应高原情况，同时也限制在山顶一天内的逗留时候不克不及跨越12小时，所以每次去山顶不雅测一段时候后都必需返回HP调整。在HP，EHT同业分当作两个小组，别离负责前三更和后三更的不雅测。在这里，大师一方面存眷山顶的气候，一方面期待EHT最终不雅测的通知。因为全球所有介入台站都需要具备很好的设备状况并知足苛刻的气候前提，往往当天晚上的不雅测鄙人午3点摆布才最终确定。HP为来访者供给了很好的勾当空间和物质保障，对天文学家来说，这也是一次可贵的与同业当面交流的机遇，所以大师都喜好围坐在一路交流和会商。

在短暂的期待后，终于迎来了EHT的不雅测，大要再驱车30分钟，我们达到山顶，路边根基没有植被，只看到火山灰聚积当作的沙丘和来不及融化的积雪。达到千里镜后，就起头摆设不雅测使命。我们一般提前查抄设备状况，确认各个环节都正常，JCMT旁边还有一个亚毫米波阵列SMA（Submillimeter Array），每次正式不雅测前都和它做一次测试不雅测，来确认两者的状况是否都正常。

图5. 位于半山腰的HP基地

凡是，我们很快就能确认获得暗示设备正常的干与条纹，然后就可以着手筹办正式执行不雅测使命。JCMT在被东亚天文台接管之前本家儿要进行单天线不雅测，并不具备VLBI不雅测能力，所以JCMT本地有经验的不雅测同业会帮我们节制天线，好比操作天线瞄准方针源，每隔一段时候进行指标的目的确认和对焦等。EHT同业则本家儿要存眷VLBI旌旗灯号领受链路的状况，好比监督用来混频的本振旌旗灯号源，监督用来高速采集和记实原始数据的设备状况。前面提到干与要求两路电磁波频率不异、相位差恒心猿意马，在EHT不雅测过程中，我们要求230GHz四周的旌旗灯号连结不会发生1Hz频率误差。并且在高海拔地域不雅测，因为空气稀薄、气压低，记实设备都颠末了特别制备，好比充氦来维持磁盘内气压以包管磁头高速运转平稳记实，同时我们也经由过程监督记实数据是否知足高斯分布来判定数据是否正常。我们还需要连结对千里镜系统噪声温度的持续测量和记实，这将是后面黑洞当作像主要的幅度校准输入。对这些工作，大师都做得一丝不苟，在彼此关心和鼓动勉励下，即使几天对峙下来也毫无倦意。不雅测就这样严重而有序地执行着，碰着问题也都能实时解决。EHT项目集结了国际上毫米波VLBI范畴顶尖的科学家和手艺人员，这绝对所言非虚。

图6. EHT不雅测的同业在JCMT节制室

后 记

今朝，颠末近两年的数据处置和阐发，第一次全球合作的EHT不雅测数据已经获得成果，M87星系中心黑洞的图像也已面宿世，为验证广义相对论供给了最直接的视觉证据。此时，笔者有幸再次来到JCMT，听闻它将新安装一个345GHz的领受机用来进行下一轮EHT不雅测，这意味着将来将获得更清晰的VLBI图像，也是对今朝成果的多重验证。若是说黑洞的图像是EHT系统开出来的花朵，那就让这朵花开得更灿艳些吧

花 絮

在2018年4月的一次不雅测竣事返回HP的途中，天刚微微亮，坐在前排的同业俄然指着对面莫纳罗亚山偏向告诉我们他仿佛看到了火山口有零散的火星冒上来。我们看到后都说是火山喷发的迹象。而本地同业告诉我们，那确实是个活火山，经常能看到火星，所以层见迭出。但就在我们不雅测竣事后的第二个月，这个活火山猛烈地喷发了。

本家儿要参考资料

[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/

—快问快答—

采访嘉宾：楼宇庆，清华大学物理系传授、清华天体物理中间传授。

Q：所谓“拍摄黑洞”素质是什么意思？我们是经由过程什么“看”到黑洞的？

楼宇庆：球对称的静止黑洞有一个“事务视界”（eventhorizon)，也称Schwarzschild半径。在其内的物质和光子都无法逃逸出来，所以称为“黑洞”。持久以来，我们一向经由过程黑洞与周边的物质和辐射场的感化（例如经常提到的吸积盘）来猜测黑洞的存在及估量其物理参数。轴对称的扭转黑洞（Kerr解）有其响应的“事务视界”，根基物理理解同上。扭转黑洞四周时空会被严重弯曲拖曳，快速扭转的吸积盘物质的电磁辐射在此弯曲时空中传布当作像。人们可以经由过程此类模子的参数调整拟合与不雅测到的吸积盘物质的电磁辐射像来获取黑洞“事务视界”的轮廓像。我们是在这个意义上“拍摄黑洞”或称“看”到黑洞的。

Q：为什么EHT(EventHorizonTelescope)会选择银河系中间和室女系M87中间这两个“事务视界”半径最大的黑洞作为首要方针？此中M87距我们有5000多万光年之遥，其当作像难度是不是比距我们2.6万光年的处于银河系中间的黑洞大良多？

楼宇庆：EHT在毫米波段运用的甚长基线干与阵列手艺(VeryLongBaselineInterferometry--VLBI)有很是高的角分辩率，又因为有十多个毫米波千里镜和阵列的配合介入，EHT的活络度空前地高。EHT的角分辩率可以用1毫米（不雅测波长）来除以1万公里（约地球直径）来大致估量，即百亿分之一。银河系中间的黑洞和室女系M87(Messier87,alsoknownasVirgoAorNGC4486)中间的黑洞都属于所谓的超大质量黑洞(SupermassiveBlackHole--SMBH)，前者是400万太阳质量，后者是64亿太阳质量。Schwarzschild半径Rsch=2GM/c^2，这里G是万有引力常数，M是黑洞质量，c是真空中的光速；故太阳质量对应的Schwarzschild半径约是3公里。请注重，Schwarzschild半径与黑洞质量M当作线性比例。EHT选择较近的超大质量黑洞作为首要方针是天然合理的。再注重，5000多万光年与2.6万光年的比值约2000。64亿太阳质量的超大质量黑洞与4百万太阳质量的超大质量黑洞的比值约1600。故两个黑洞看起来巨细差不多。这就是为什么EHT同时选择这两个方针进行不雅测。

Q：天体物理一般怎么处置不雅测数据和模子之间的关系？该若何评估数据阐发的可托度？

楼宇庆：在此次EHT的不雅测中，我们想象有吸积盘，吸积盘有辐射，里面有黑洞，黑洞或许仍是扭转的，会极端拖拽扭曲时空，周边的吸积盘可能是以相对论速度在转，辐射出来的工具此刻能看到的只是毫米波段的，最终能看到光子在扭曲的时空里怎么走。这个模子里有良多参数，好比黑洞质量、吸积盘离黑洞的距离、吸积盘质量、吸积盘巨细、吸积盘往外延长多远、吸积盘是否平整，甚至吸积盘里等效的粘滞系数等一系列的参数都不是很确定。但无论若何，我们构建一个模子，有些参数相对更靠得住一些，有些差一点，然后按照参数当作像。参数需要频频调整，最后据此制造一个模子的像，使之跟千里镜的像附近。那么会不会有其他参数也能当作同样的像？原则上有可能，统一个像有可能对应着几种分歧的参数，参数纷歧样图像就纷歧样，意味着数据阐发的成果并不唯一。但可以按照其他一些身分进行阐发，最终猜测是否只有某一种最为合理。若是成果不那么惟一，理论家之间就会对模子有所争执，但仿照照旧会按照已知的信息判定哪一个更为合理一点，日后有前提再进行自力验证。有些研究的成果听起来长短常合理的，好比HansBethe的热核反映，计较和理论估计吻合得很好，可是都涉及模子的构建问题。

采访未经本人核阅

楼宇庆：哈佛大学物理博士（1987年），国度基金委海外精采青年学者，教育部长江特聘传授，清华大学物理系传授、清华天体物理中间和清华-国度天文台结合天体物理研究中间传授。曾在美国国度大气研究中间的高山天文台和高档研究项目部、阿拉斯加大学地球物理研究所和芝加哥大学天文与天体物理系从事太阳物理、空间物理和天体物理等相关范畴的流体和磁流体研究工作，别离本家儿持和介入过美国和中国的多项科学研究项目。

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