這個全球望遠鏡竟是「遠視眼」，黑洞將被首次拍照成像

去年探測到兩個黑洞碰撞合并時所釋放的引力波時，研究者第一次「聽」到了黑洞。現在，他們希望看到黑洞，或者至少它的輪廓。下個月，天文學家會利用全球的射電望遠鏡構成一個等效於地球尺度的天線——一台足夠強大的設備。一般而言，黑洞被周圍旋轉的熾熱氣體照亮，因此他們希望藉助這一強大的設備，對黑洞進行成像。天文學家的目標是我們銀河系中心的超大質量黑洞，被稱為人馬座A*（Sgr A*），和另外一個臨近星系M87的更大質量的黑洞。

早些時候，使用部分天線的視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）已經觀測得到了誘人的結果，但圖像上兩個黑洞仍然是沒有細節的斑點。今年，EHT會首次加上智利和南極洲的望遠鏡，以此來提高它的解析度和增強大家對它的期待。天文學家現在希望看到黑洞如何將它們周圍的熾熱氣體拽入吸積盤，如何產生物質噴流。他們希望描繪出黑洞的邊界大小和形狀，從而驗證愛因斯坦的引力理論（即廣義相對論）是否在如此極端條件下仍然有效。

「這是一個非常大膽的實驗。」沒有參與這個項目的斯坦福大學的理論天體物理學家Roger Blandford說。他相信EHT可能不僅僅只展示黑洞如何運行，也會傳遞一個更基本的信息。「它會驗證這個重要的命題：黑洞在宇宙中很常見。眼見為實。」

視界望遠鏡一年僅有一次的拍攝機會，只有在天氣好、兩個黑洞在天空中都可見，並且在這些分散在全球的天文台都預約到時間的時候才可以進行拍攝。今年，研究隊伍會從4月5日到14日的10天觀測窗口中選擇5天進行觀測。然後，龐大的數據處理工作開始，並且可能需要一年的時間，研究人員才能知道他們是否成功了。「這是一項成功喜悅被延遲的項目。」就職於麻省哈佛史密森（Harvard-Smithsonian）天體物理中心的EHT主任Shep Doeleman說道。

對黑洞進行成像是個棘手的挑戰，不僅是因為它們的強大引力阻止了光線逃脫，更是因為它們太小了。基於Sgr A*引力範圍內高速繞行恆星的軌道計算，Sgr A*的質量相當於400萬個太陽質量。但它的視界，即任何接近黑洞的物體的 「不歸路」開始之處，直徑是2400萬公里，只比太陽寬17倍。要從26000光年開外看到這麼小的物體需要全球尺寸的望遠鏡天線。

在可見光波長範圍，Sgr A*被籠罩在星繫心髒的塵埃和氣體所隱蔽。無線電波更容易通過，但是通常的射電望遠鏡仍由於電離的氣體雲和低解析度限制得不到好的圖像。最好用的是對最短的無線電波（毫米波）敏感的射電望遠鏡。但用於這部分能段觀測的天線、探測器以及數據處理技術只是在近幾十年才發展起來。「我們能夠藉助以看到事件視界的窗口很小。」荷蘭拉德堡大學的天體物理學家、EHT科學理事會的主席Heino Falcke說。「銀河就像一塊乳白色的玻璃。」

[圖注]在黑暗中拍照。

視界望遠鏡將8個毫米波射電天文台組合成一個全球望遠鏡。它們離得越遠，解析度就越高。

但要看到事件視界本身，EHT必須要更大一些。這些年，它已經由一個鬆散的、沒有足夠資金支持的團體演變成了一個涉及12個國家30個機構的世界性協作體。下個月，他會包含更加廣布的擴展設備，包括西班牙的IRAM天線，南極望遠鏡和阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）——一個巨大的國際天文台，由智利北部的66個天線組成。由於它巨大天線面積，ALMA很是引人注目，因為它將把EHT的敏感度提高一個數量級。「那對我們來說是關鍵。」Doeleman說。

加入新的儀器並不簡單。將相隔遙遠的天線的信號結合起來的技術被稱為甚長基線干涉測量（very long baseline interferometry），多數參加的毫米波望遠鏡並沒有裝備這項技術。EHT研究人員必須造訪每個平台去修改它的硬體並安裝新的數字信號處理器和數據記錄器。對於ALMA，這也花了很多的說服工作。「我們必須進入ALMA的內部重新接線，」Doeleman說，「它需要所有層面的政治交涉。」

下個月的聯合觀測對EHT團隊來說將會是一個很緊張的時刻。所有的8個天文台需要晴朗的天空和零故障才可能取得最好的觀測結果。「第一次，可能會出錯。」Falcke說。觀測的數據量會非常巨大，必須要將它們首先記錄到硬碟上，之後再運回到麻省的海斯塔克天文台和波恩的普朗克射電天文學研究所進行處理。在那裡，由擁有超級計算機性能的個人電腦集群組成的相關器，會用幾個月時間快速處理數據，把來自不同天線的信號合并起來，使之就像來自和地球一樣寬的單個天線。帶來更多延遲的是，南極望遠鏡的數據要九月份或者十月份才能到達，因為那個時候南極的冬天才會過去，飛機才能從那兒取回硬碟。

當明年所有數據匯總到一起後，團隊希望看到一個由靠近視界面的光子構成的明亮光環——來自曾經靠近事件視界的光子，而一個黑暗的圓盤位於中間。這個環應該會一邊比較亮，這是因為黑洞旋轉增強了這些光子，儘管第一次的數據可能不會像團隊模擬的那麼好。「也可能會是一幅蹩腳的圖像，但科學上來講它還是會很有趣。」Falcke說。

Doeleman希望看到圍繞視界旋轉物質的結構。並且希望可以像看電影那樣，看到氣體落入視界消失的景象。這樣的觀察可能幫助解釋為什麼一些黑洞大口地吞噬物質發出耀眼的光芒，而另一些——比如Sgr A*，似乎在挨餓。Falcke的願望更為簡單一些，「視界是可以證明黑洞確定存在的證據」他說，「我希望看到它，就是真正地直接看到它。」

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