如何造一台和地球一样大的望远镜（来寻找黑洞？）
原文以How to hunt for a black hole with a telescope the size of Earth为标题
发布在2017年3月22日的《自然》新闻上
原文作者：Davide Castelvecchi
“事件视界”——黑洞附近有去无回的临界点，天文学界憧憬着为其首次拍摄图片。
寻找黑洞的攻略如下：首先，花费数年征募八个分布于四大洲的顶级射电天文站，进行空前规模的联合搜寻。随后，协调作业计划，让这些天文站连续几天同步地将观测区锁定到天空的相同区块。再然后，采集科学史上规模前所未有的观测数据量——每夜生成2PB（=2048TB）数据。
这正是本月试运行事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, 以下简称EHT）的大胆计划——分布于全球的射电望远镜组团形成接近地球大小的虚拟天文站。科研人员希望在他们筛查海量数据时，能够首次捕捉到位于银河中心的黑洞的细节，以及位于更远的M87星系内、尺寸明显更大的黑洞之图片。
这个尝试之所以需要占用诸多天文研究设备，是由于这些黑洞距离地球如此之远，相当于在地球上观察位于月球表面的一个面包圈，这要求望远镜的分辨率相较哈勃天文望远镜高出1000多倍。但是，即便科研人员只能够获取少许模糊的像点，也会对基础物理、天体物理和宇宙学产生深远影响。
EHT旨在将视野拉近到每个黑洞的事件视界——越过此界后，引力之强，任何物体都将无法折返。通过获取这个界限之外实景的图片，科学家们将能够对爱因斯坦的广义相对论进行目前为止最为严格的验证之一。这些图片可能也有助于解释，为什么某些超大质量的黑洞会产生壮观的高能量喷流，并支配着各自星系及周边。
ESA advanced conceptsteam; S. Brunier /ESO
但首先需要天公作美。EHT要求八个观测地点的天空同时清澈如洗——从夏威夷岛到安第斯山脉，从比利牛斯山脉再到南极。这些以及其他约束意味着每年只有一个时长两周的观测窗口期。“必须万无一失”，EHT项目总监Sheperd Doeleman说。他是任职于麻省剑桥哈佛大学的天体物理学家。
“射电天文学家喜欢挑战几乎不可能完成的事情，”Roger Blandford评论道，EHT将是他们迄今为止面临的最为艰难的挑战。他是加利福尼亚斯坦福大学的天体物理学家，不过没有参与这项合作。
自20世纪70年代起，天文学家就知道银河中心潜伏着一股反常的辐射源。在充满尘埃的银河中心区域人马座内部，射电望远镜扑捉到致密度非同寻常的天体。他们为其命名人马座A∗（Sagittarius A∗，简称Sgr A∗），并最终收集到有力证据证明那是一个超大质量的黑洞，其质量约相当于400万个太阳。位于M87星系中心的M87∗黑洞质量更甚，约相当于60亿个太阳的质量。以天文角直径为量衡，这两个黑洞在所有黑洞中拥有已知最大的事件视界。
虽然科学家比较了解较小的黑洞是如何形成的，但没有人确切知道这类超大质量“怪物”是如何孕育成长的。在很长一段时间内，天文学家都在怀疑望远镜的分辨率能否发展到可以捕获这类黑洞的蛛丝马迹的地步。
挑战归根结底源于基本的光学原理。望远镜的分辨率更多地取决于它的直径——或者说光圈孔径，以及所观测的光的波长。如果望远镜直径翻倍，科学家们能够分辨的物体尺寸将减半；光的波长减半也有同等效果。对于1.3或0.87毫米波长——仅有的两个不会被大气吸收，或者被星际尘埃、高温气体散射的辐射频点——计算显示，碟形射电天线的直径需要远大于地球直径才能为Sgr A∗ 或 M87∗拍摄图片。
Nik Spencer/Nature; Avery Broderick/University of Waterloo （中图与下图）
但是在上世纪90年代后期，当时就任于马克斯-普朗克射电天文学研究所（位于德国波恩）的天体物理学家Heino Falcke及其合作伙伴指出，由黑洞引力导致的光线扭曲会像透镜一样将Sgr A∗黑洞放大5倍左右。这是一个好消息，因为它意味着“甚长基线干涉测量技术（very-long-baseline interferometry，VLBI）”或许可以用于观测SgrA∗黑洞。这项技术整合了全球多个天文站以形成一架虚拟望远镜——其有效孔径相当于各天文站之间的距离。
之所以有一丝希望可以为Sgr A∗黑洞以及更大的M87∗黑洞成像，是因为它们周围环绕着超高温等离子体——可能是没有被彻底吞噬的恒星被强大的引力撕碎而形成的黑洞外围残余物。这些等离子气体形成高速旋转的吸积盘，其内侧部分呈螺旋状落向黑洞。Falcke及其同事们认为，分布于全球的VLBI网络可以对1毫米左右的波长进行观测，应该刚好可以提供足够的灵敏度，以分辨Sgr A∗黑洞在吸积盘气流的光环上形成的阴影。
他们同时模拟了VLBI网络可能会观测到的景象。与大多数描绘黑洞的艺术想象图相反，黑洞后侧的吸积盘并不会像部分土星环被土星遮蔽那样消失。黑洞周围不存在遮挡：引力会扭曲时空，而在黑洞周围发生的扭曲如此之强，以至于光线绕过黑洞，形成黑洞背面的多次畸变的像。这应该会让吸积盘看上去像围绕黑洞阴影的光环。（2014年大片《星际穿越》是第一部准确描述了这种光线围绕黑洞的现象的电影。）
但它不会是多数文艺复兴时期画作里的那种普通的光环。吸积盘内侧区域的旋转速度接近光速，因此吸积盘的一侧——即转向观测者的那一侧会比另一侧明亮很多。观测到的形状应该会犹如一个新月 （见附图“暗黑力量”）。
Falcke现已转到荷兰内梅亨大学，他曾在2004年参与了针对Sgr A∗黑洞的首批VLBI观测的其中一次。他们使用的是美国国家射电天文台在美国境内的网络，其跨度为2000公里，接收波长为7毫米。他们得到的仅仅是一个光斑，像是透过一块毛玻璃观察黑洞。
同时，从2007开始，由Doeleman带领的团队也单独对SgrA∗和M87∗两颗黑洞进行了VLBI观测。他们利用三个天文站组成的VLBI网络对1.3毫米波长进行测量，虽然未拍摄到事件视界的图片，但给出了其尺寸的上限。
这两个团队最终合力并联合其他机构形成了现有的EHT合作体。队伍逐步壮大，调用的射电望远镜数量也随之增长。
4月，EHT将能够进行总共4次或5次夜晚观测，限制主要来自他们获准使用的阿塔卡玛大型毫米波天线阵（ALMA）。ALMA位于智利，造价达14亿美元，是目前最先进的天文站，也是世界上预订超额率最高的天文站之一。他们计划用两晚观测Sgr A∗，再用两晚观测M87∗。亚利桑那大学（位于美国图森市）的理论天体物理学家Feryal Özel解释说，在每个观测点，原子钟会标记每段电磁波的波峰和波谷到达的时间，精度达到十分之一纳秒。
在典型的干涉测量法中，不同接收地点得到的到达时间是实时比较的，再通过三角法得到源点位置并重构图像。但是，由于众多天文台分散于全球各地（见附图“全球协力”），并且包括某些网络连接不畅的站点，研究人员只能先分别记录数据流，后期再做比较。
亚利桑那大学的天体物理学家Daniel Marrone说，“我们并不会在显示屏上看到一张图片。” 加拿大滑铁卢大学的天体物理学家Avery Broderick说，这意味着EHT记录数据的速度需要超过以往任何类型的所有实验。其一夜的典型数据量将相当于坐落于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机一年实验产生的数据量。
保存这些数据的成捆硬盘将被空运到两个中心，交由计算机集群合并为一张图片，此过程将耗时近6个月。只有在完成合并后，数据分析，即真正意义上的科学研究，才得以开始。在2018年之前，他们可能无法得出可公布的研究成果。
天体物理学家对EHT的成果预期很高。他们尤其感兴趣的是，或许一些数据可以解释宇宙中最为壮丽的景象之一：某些超大质量黑洞以接近光速向星际空间喷射的巨大粒子喷流。其中某些黑洞——包括M87∗，喷流长度甚至超过它们所在星系的跨度。但又不全是如此：如果Sgr A∗也有射流，可能它们太小或者太微弱以至于至今没有被发现。
科学家们甚至不清楚这些喷流的成分，但看上去它们在宇宙的演化中扮演着突出角色。特别是，通过加热星际间物质，喷流可以防止物质冷却形成星球，从而阻止星系的生长——Broderick点评说，“喷流主宰着星系命运”。
天体物理学家给出的最具可能的解释是，它们是贴着黑洞高速扭转的磁场产生的，但并不清楚其能量来源。上世纪70年代，Blandford及其同事给出了两种可能的模型：其一，能量源于吸积盘；其二，能量源于黑洞本身的自旋（不一定要与吸积盘的旋转同轴）。
2015年，Doeleman的小组报告了基于1.3毫米波长VLBI观测，发现的Sgr A∗黑洞周围磁场结构的首个线索。结果暗示，相较吸积盘，更有可能是黑洞自旋为射流提供了能量源——Blandford介绍说，但即将临近的实验若集齐全力，应该可以给出更加确凿的结论，并揭示Sgr A∗到底有没有射流。
在更为基础的层面，观察事件视界的大小和形状，将能够首次在超大质量黑洞周围的极端空间验证爱因斯坦的引力理论。这将跟进去年激光干涉引力波天文台LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）发布的历史性发现，它捕获到了体量接近大型恒星的黑洞融合时发出的引力波信号。它的发现被公认为给黑洞的存在提供了至今为止最为激动人心的证据，但它还没有给出无可争议的证据。而且，Broderick指出，超大质量黑洞大出百万甚至上亿倍，“我们在观测一个我们不一定知道其物理规律的空间。”
甚至，EHT有可能在目标区域找到不同于黑洞的未知物体。理论学家给出了一系列不同的理论，来解释当物质因为自重塌缩时可能会发生的情景。其中某些理论认为这并不会形成黑洞，因为引力导致的塌缩会在恒星残骸越过“无法折返”的临界点前停止。这有可能形成一种极其致密的星球，而EHT或许可以探测到源自其坚硬表面的辐射。
但是安达卢西亚天体物理所（位于西班牙格拉纳达）的天体物理学家Carlos Barceló认为，能找到这类天体实属碰运气，“我有些怀疑这次观测能否分辨经典黑洞和更为奇异的天体。”他和其他一些人认为，或许LIGO更有机会验证这些理论，比如通过捕捉两个黑洞融合时产生的回波。
尽管如此，随着VLBI天文站的改善，也许其性能可以提升到能够帮助科学家们确认事件视界是否像广义相对论预测的一样对称——欧洲空间研究与技术中心（位于荷兰诺德韦克）的项目分析师Alexander Wittig说，“事件视界望远镜未来版本的分辨率或将帮助我们辨别阴影中更加精细的特征。”为了这个目标，Falcke已经开始梦想通过太空望远镜阵列组成比地球体积还要大的EHT。
然而目前对于天文学家来说，有一小簇像点可以让他们首次一窥这些神秘难测的庞然大物，就能让他们心满意足。他们的脑海里盘旋着许多想象的图像，大多数灵感来自科幻类书籍和电影，如《星际穿越》。“证明射电天文学家可以赶上好莱坞的步伐，给我们展示真实存在的黑洞图片，”Blandford 说，“这个主意很奇妙。”ⓝ
Nature|doi:10.1038/543478a
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