八仙探天：事件視界望遠鏡巡禮

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八仙過海，各顯其能

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事件視界望遠鏡合作機構巡禮

EHT網路示意圖，圖片來自ESO官網

事件視界望遠鏡（The Event Horizon Telescope，簡稱EHT）並非真實存在的巨型射電天文望遠鏡，而是由全球眾多射電望遠鏡組成的合作項目。今年，EHT剛剛完成了對銀河系中心的巨型黑洞人馬座A*的拍攝工作，而具體的報告則要等到明年了。在漫長的等待期間，我們不妨先學習一些知識。

射電天文學的起源可以追溯到上世紀30年代。1932年，貝爾實驗室的天文學家卡爾·央斯基發現了銀河系的射電輻射；隨後，另一位天文學家格羅特·雷伯重複了央斯基的工作，並在1937年，在自家後院利用自製的望遠鏡觀測到了銀河系射電連續譜發射。20世紀60年代，震撼天文學界的四大發現——星際分子、微波背景輻射、脈衝星、類星體，無一不與射電天文學息息相關。世界上的射電天文已經經歷了幾個階段的發展，在單孔徑大射電望遠鏡、綜合孔徑干涉儀、毫米波、空間等多個方面均達到一個新的技術水平，帶動了射電天文在宇宙學、星系和星系核、恆星和脈衝星、以及天體測量及其應用方面的發展。而目前與射電天文有關的研究已經先後獲得了6次諾貝爾物理學獎。

EHT正是射電天文的一次「聯合大作戰」！而提到EHT，就不得不提VLBI——射電甚長基線干涉技術（very-long-baseline interferometry）。這項技術是射電天文中的明星，它將全世界的射電望遠鏡連成一張大網，每次多個觀測站同時觀測一個對象，這就相當於用一個巨型望遠鏡進行觀測，從而獲得比單獨觀測解析度更高的圖像。目前，全世界範圍內眾多研究機構皆有參與，並且已經建成了巨大的觀測網路，我國的上海天文台、新疆天文台都是其參與者。其中，上海天文台的上海65米射電望遠鏡更是全球綜合性能名列前茅的射電望遠鏡。

自EHT從2006年獲取第一個數據以來，每年都有生力軍加入EHT。正所謂「八仙過海，各顯神通」，在這篇文章里，我們將逐一認識一下參與EHT的八大主力。

克魯斯卡爾坐標系下的黑洞。

1

西上查南托，迢迢見明星

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阿塔卡馬大型毫米波陣

全稱：阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)

地址：查南托高原

海拔：4576～5044米（大部分地區高於5000米）

場所：露天裝置

類型：亞毫米波干涉天線陣列

光學儀器：卡賽格倫望遠鏡

主鏡直徑：54×12.0米（歐洲AEM財團，德國杜伊斯堡的Vertex Antennentechnik公司，三菱電機公司聯合製造）和12×7.0米（三菱電機公司製造）

主鏡材料：碳纖維增強複合材料和鋁（12米），鐵和鋁（7米）

次鏡直徑：0.75米（12米天線），0.475米（7米天線）

次鏡材料：鋁

裝置類型：地平式裝置

出光日期：2011年9月30日

干涉測量法：基線從150米到16千米

註：歐洲AEM財團是由法國的泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）、義大利的歐洲工業工程集團（EIE-Group）和德國的梅茲MT機電一體化公司（ MT-Mechatronics）組成的。它們參與ALMA的建設，做出巨大的貢獻。

ALMA探索著最前沿的天文問題之一——寒冷而遙遠的宇宙。傳統望遠鏡的功能是收集並分析可見光，它則另闢蹊徑，搜尋光譜的未知部分。毫米波長和亞毫米波長為天文學家開啟了全新的宇宙之窗。如果用傳統方法進行精確地觀測，那麼天文學家需要建設一個直徑達幾千米的望遠鏡，因此ALMA分開的天線布滿了整片台地。最遠的兩根天線相距兩千米。天線相互鏈接，其信號匯合到一起。其結果是：我們得到了一個像整個天線一樣巨大的望遠鏡，以前所未有的靈敏度和解析度進行觀測。近期，ALMA不斷有新的重大成果發布。相信在未來，ALMA，這個凝聚了全世界科學家智慧的項目，將給我們帶來更多的驚喜！

ALMA，圖片來自ESO官網

2

寒風九萬里，吹度崑崙站

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南極巡天望遠鏡

全稱：南極巡天望遠鏡（South Pole Telescope）

地址：南極內陸冰蓋最高點冰穹A(DOME A)西南約7．3公里（內陸考察站崑崙站附近）

海拔：4087米

類型：大視場折反射望遠鏡光學系統

直徑：68厘米

有效觀測口徑: 50厘米

解析度: 1個角秒

裝備：單片電荷耦合器件(CCD)，主鏡裝備有自動除霜系統

裝置材質：低溫鋼和膨脹係數較低的材料

註：南極巡天望遠鏡是中國自主研發的首台全自動無人值守望遠鏡，由國家天文台、紫金山天文台中國南極天文中心、中國科學技術大學、南京天文與光學技術研究所、南京大學天文與空間科學學院、清華大學、北京師範大學、天津師範大學等單位聯合研製並參與其中的工作。

高圖像解析度是光學天文觀測所追求的最重要的指標。南極的准空間環境：乾燥而稀薄的大氣、低溫、低風速、低大氣邊界層（～10米）的連續的冬夜等為天文觀測提供了極好的條件：高大氣透過率，極低的紅外天光背景，優良的視寧度（～0.3角秒)，極有利於開展時域天文學研究，並大大降低瞭望遠鏡製作的難度。與其它地面望遠鏡相比，南極台址的最大優勢為自然視寧度提高兩倍多，在紅外波段天光背景降低20－100倍。

在多個渠道的資助、多個天文單位的參與，以及具體的科研目標之下，我們有理由相信南極巡天望遠鏡會成為祖國天文研究的先知。

南極望遠鏡，圖片來自牧夫天文論壇用戶sagalliant，原貼《南極上空的幻日伴望遠鏡》

3

不畏浮雲險，有志敢登攀

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阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡

全稱：阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（Atacama Pathfinder Experiment）

地址：智利 查南托高原

海拔：5050米

場所：露天裝置

類型：亞毫米波天線

光學設計：卡塞格林

直徑：12米（次口直徑0.75米）

架台：ALT-方位角安裝

裝備：測輻射熱計相機LABOCA（LABOCA採用了一系列極為敏感的溫度計-被稱為輻射熱測量儀-檢測亞毫米光）

鏡面材料：碳纖維複合材料和鋁

啟用日期：2005年7月14日

註：APEX是馬克斯·普朗克射電天文研究所（MPIfR，50%），昂薩拉空間天文台（OSO，23%），和ESO（27%）之間合作建造的望遠鏡，與ALMA距離很近。APEX是ALMA----阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣的一個探路者。ESO與國際合作夥伴正是在APEX的基礎上建造的ALMA計劃的原型天線。

亞毫米級天文學是一個目前正在蓬勃發展的天文學分支，它是研究「冷宇宙」的理想選擇。APEX正是探尋只有幾十開爾文的星際冷雲中暗藏的秘密的急先鋒。其中，LABOCA的高靈敏度，以及其廣闊的視野（可達滿月的直徑的三分之一），使其成為亞毫米級宇宙成像的寶貴工具。

APEX，圖片來自ESO官網

4

江流天地外，山色有無中

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墨西哥大型毫米波望遠鏡

全稱：大型毫米波望遠鏡（Large Millimeter Telescope）

地址：墨西哥 波伯拉（Puebla）州 西耶拉火山頂

海拔：4500米

場所：露天裝置

類型：射電望遠鏡

捕捉電波波長：1-3mm（位於這一波段的無線電信號處於無線電波與紅外線之間，無線電波不會因宇宙塵埃而發生偏離，也不會隨距離增加而減弱）

最大口徑：50米

造價：1.2億美元

啟用日期：2008年

註：這架重達2500噸的天文望遠鏡共耗資1.28億美元，其中的65.5%由墨西哥政府出資，並由美國政府和美國馬薩諸塞大學共同承擔剩餘部分。其主要任務是探測宇宙大爆炸殘存的電磁輻射。

LMT，圖片來自LMT官網

5

危樓高百尺，手可摘星辰

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亞毫米波天文學望遠鏡

全稱：亞微米波望遠鏡Submillimeter Telescope

地址：美國 亞利桑那州

海拔：1200米-1400米

場所：露天

類型：射電望遠鏡

直徑：10米

裝置材料：高精度碳纖維

註：SMT是亞利桑那大學和馬克斯-普朗克研究所合作的射電天文望遠鏡。它的特點是特有的防塵裝置和簡便的實驗操作。另外，精密的凸玻璃模具可以大批量生產望遠鏡所需的碳纖維增強塑料反射面板，這大大加強瞭望遠鏡的工作效率。

SMT,圖片來自SMT官網

6

潮平兩岸闊，風正一鏡懸

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麥克斯韋望遠鏡

全稱：麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）

地址：美國 夏威夷 冒納凱阿火山

海拔：4100米

主鏡口徑：15米

類型：亞毫米波天文學望遠鏡

註：JCMT於1987年開始運作。它起初由聯合天文學中心經營，並為紀念英國數學物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋而以之命名。在幾年前這台曾為射電天文學研究立下汗馬功勞的望遠鏡一度面臨「無家可歸」的困境。2015年3月，東亞觀察站接管JCMT的運作。

JCMT，圖片來自JCMT官網

7

會當凌絕頂，一覽眾山小

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夏威夷亞毫米波望遠鏡

全稱：亞毫米波望遠鏡（Sub-millimeter Array）

地址：美國 夏威夷 冒納凱阿火山

海拔：4200米

場所：露天

主鏡直徑：6米

類型：射電望遠鏡

工作頻率：180GHz到700GHz

註：該望遠鏡由美國和台灣省合作建造，由八個直徑6米的無線電望遠鏡組成，是第一台工作在亞毫米波的干涉儀。其基線長達509米，可以產生亞弧秒的合成光束。儘管陣列在白天和黑夜皆可運行，但大多數觀測都是在大氣較為穩定的夜間進行的。該望遠鏡對冥王星等太陽系中的寒冷地帶的研究有著卓越的貢獻。

SMA，圖片來自大衛·努努克

8

群山多歧路，奮馬探天邊

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西班牙30米毫米波望遠鏡

全稱：30m毫米波射電望遠鏡

地址：西班牙南部百萊達山上

海拔：2800米

類型：射電望遠鏡

場所：露天

工作波長：0.8mm

主鏡直徑：30米

跟蹤指向精度：2.5角秒

啟用時間：1985年

註：德法毫米波射電天文研究所(簡稱IRAM),由西德馬克斯-普朗克射電天文研究所研製成功的30m毫米波射電望遠鏡，這是一架無任何遮擋的露天工作的望遠鏡。這台望遠鏡對恆星的形成、恆星系統的演化、高紅移星系中的分子氣體以及天體化學等方面的研究有著非常大的幫助。

30m毫米波射電望遠鏡，圖片來自IRfAM官網

目前，我國的射電天文學也正在蓬勃發展中。老一輩天文學家已經打下了堅實的基礎。目前，我國可用於分子譜線觀測的射電望遠鏡，除了上文提到的南極望遠鏡和上海天文台的65米望遠鏡之外，還有紫金山天文台的13.7米毫米波望遠鏡、新疆天文台的25米射電望遠鏡、羊八井觀測站的CCOSMA以及赫赫有名的FAST等。我們已經擁有了足夠的望遠鏡已經相應的後端設備，眾多天文學的學子也整裝待發。可以說，我國是一支天文學研究中不可忽視的強大力量！

這次的拍攝結果無疑將牽動全世界研究者與愛好者的心，讓我們拭目以待這位黑色新娘揭開面紗的那一刻！

撰文：王紀堯 葉君耀

配圖：李鑫 | 校對：李鑫 安東升

編排：王紀堯

責任編輯：解仁江

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阿偶

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