科學家如何拍攝第一張黑洞照片

黑洞非常害羞。位於星系中心的超大質量黑洞透過噴射明亮的帶電粒子流或甩開或撕裂附近的恆星來使自己可見。近距離觀察，這些龐然大物被墜落物質的發光吸積盤包圍。但由於黑洞的極端引力阻止了光的逃逸，這些宇宙重量級人物的黑暗之心仍然完全看不見。

幸運的是，有一種方法可以「看到」黑洞，而無需凝視深淵本身。相反，望遠鏡可以在黑洞的吸積盤上尋找黑洞事件視界（內部任何東西都看不到或逃脫的周界）的輪廓。這就是事件視界望遠鏡 (EHT) 在 2017 年 4 月所做的事情，收集的數據現在已得出第一張超大質量黑洞的圖像，位於 M87 星系內部。

「沒有什麼比擁有圖像更好的了，」哈佛大學天體物理學家阿維·勒布說。儘管科學家在過去的半個世紀中收集了大量有關黑洞的間接證據，但「眼見為憑」。

不過，創造第一張黑洞肖像是很棘手的。黑洞佔據了天空的一小部分，從地球上看，黑洞顯得非常微弱。對 M87 黑洞進行成像的計畫需要全球各地的天文台協同工作，形成一個虛擬的地球大小的射電天線，其視野比任何單一天文台單獨實現的都要清晰。

將「解決方案」納入決議

M87 內部的超大質量黑洞的質量約為太陽的 65 億倍，可不是小東西。但從距離地球 5,500 萬光年的地方來看，黑洞在天空中的直徑僅約 42 微角秒。在地球上的人看來，它比月球上的橘子還要小。儘管如此，除了我們銀河系中心的黑洞人馬座 A* 或人馬座 A*（EHT 的另一個成像目標）之外，M87 的黑洞是天空中最大的黑洞輪廓。

只有具有前所未有的分辨率的望遠鏡才能發現如此微小的物體。 （相較之下，哈伯太空望遠鏡只能區分小至50,000 微角秒的物體。）望遠鏡的解析度取決於其直徑：碟形天線越大，視野越清晰，而獲得超大質量黑洞的清晰影像需要行星大小的無線電碟形天線

即使對於電波天文學家來說，製作大盤子並不陌生（SN 線上：2017 年 9 月 29 日），「這似乎有點過於雄心勃勃，」沒有參與黑洞成像計畫的勒布說。 “訣竅在於你不能用一個天文台覆蓋整個地球。”

相反，一種稱為超長基線干涉測量的技術將許多望遠鏡同時看到的無線電波結合在一起，以便望遠鏡像一個巨大的碟形天線一樣有效地協同工作。此虛擬碟形天線的直徑等於網路中兩個望遠鏡之間最長的距離或基線的長度。對於 2017 年的 EHT，這是從南極到西班牙的距離。

望遠鏡，集合！

不過，EHT 並不總是像今天這樣熱門陣列。 2009 年，僅由四個天文台組成的網絡（位於亞利桑那州、加利福尼亞州和夏威夷）第一個好看的位於從 M87 黑洞中心噴出的等離子射流之一的底部（SN：2012 年 11 月 3 日，第 11 頁10）。但小型望遠鏡群還沒有足夠的放大能力來揭示黑洞本身。

隨著時間的推移，EHT 招募了新的電波天文台。到2017年，在北美、夏威夷、歐洲、南美和南極等地已有8個觀測站。新加入者包括位於智利北部高原的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）。 ALMA 的天線總面積比美式足球場還要大，因此它收集到的無線電波比其他天文台多得多。

「ALMA 改變了一切，」位於馬薩諸塞州韋斯特福德的麻省理工學院海斯塔克天文台的天文學家文森特·菲什(Vincent Fish) 說。東西，現在你都可以得到真正可靠的探測。

超過各個部分的總和

EHT 觀測活動最好在 3 月底或 4 月初的 10 天內進行，此時每個天文台的天氣都將是最配合的。研究人員最大的敵人是大氣中的水，例如雨或雪，它們會幹擾 EHT 望遠鏡調諧的毫米波無線電波。

但規劃幾大洲的天氣可能會是一個令人頭痛的問題。

中央研究院天文與天文物理研究所的天文學家杰弗裡·鮑爾（Geoffrey Bower）表示：「每天早上，我們都會接到大量電話，對天氣數據和望遠鏡準備情況進行分析，然後我們對夜間的觀測做出是否進行的決定。在競選初期，研究人員對條件很挑剔。但在跑步的最後階段，他們會拿走他們能得到的東西。

當天空足夠晴朗可以觀測時，研究人員將每個 EHT 天文台的望遠鏡轉向超大質量黑洞附近，並開始收集無線電波。由於 M87 的黑洞和人馬座 A* 一次出現在天空中（每一個都將在另一個落下時升起），EHT 可以在一次多天的活動過程中在觀察其兩個目標之間來回切換。所有八個天文台都可以追蹤 Sgr A*，但 M87 位於北方天空，超出了南極站的視線。

就其本身而言，每個觀測站的數據看起來都是無稽之談。但使用超長基線乾涉測量技術綜合起來，這些數據可以揭示黑洞的外觀。

這是它的工作原理。想像一對電波天線瞄準一個目標，在本例中是黑洞的環形輪廓。從該環的每個部分發出的無線電波必須經過稍微不同的路徑才能到達每個望遠鏡。這些無線電波可以相互幹擾，有時相互增強，有時相互抵消。每個望遠鏡看到的干涉圖案取決於來自環不同部分的無線電波到達該望遠鏡位置時如何相互作用。

對於簡單的目標，例如單個恆星，一對望遠鏡拾取的無線電波模式為研究人員提供了足夠的信息，以便他們向後工作並找出產生這些數據的光分佈。但對於具有複雜結構的來源（例如黑洞），影像可能有太多可能的解決方案。研究人員需要更多數據來弄清楚黑洞的無線電波如何相互作用，從而提供更多有關黑洞外觀的線索。

理想的陣列具有盡可能多的不同長度和方向的基線。距離較遠的望遠鏡對可以看到更精細的細節，因為無線電波從黑洞到每個望遠鏡的路徑之間存在更大的差異。 EHT 包括南北向和東西向的望遠鏡對，這些望遠鏡對隨著地球的旋轉而相對於黑洞而變化。

將所有內容整合在一起

為了將每個天文台的觀測結果整合在一起，研究人員需要以極高的精確度記錄資料的時間。為此，他們使用氫脈澤原子鐘，每 1 億年大約會損失一秒。

有很多數據需要時間戳。 「在我們上一次的實驗中，我們以每秒 64 吉比特的速度記錄數據，這比您的家庭網路連線[快]約 1,000 倍，」鮑爾說。

然後，這些數據被傳輸到麻省理工學院海斯塔克天文台和德國波昂的馬克斯·普朗克射電天文學研究所，在一種稱為相關器的特殊超級電腦中進行處理。但每個望遠鏡站在一次觀測活動中都會收集數百 TB 的訊息，數量過多，無法透過網路發送。因此，研究人員使用了下一個最佳選擇：普通郵件。到目前為止，還沒有發生重大運輸事故，但鮑爾承認郵寄磁碟總是有點令人傷腦筋。

儘管大多數 EHT 數據在 2017 年觀測活動開始後的幾週內就到達了 Haystack 和馬克斯·普朗克，但直到 11 月才從南極起飛。 「我們直到 12 月中旬才從南極取回數據，」麻省理工學院海斯塔克天文學家菲什說。

填空

結合 EHT 數據仍然不足以呈現超大質量黑洞的生動圖像。如果 M87 的黑洞是一首歌，那麼僅使用組合的 EHT 數據對它進行成像就像聽用一堆壞掉的琴鍵在鋼琴上彈奏的曲子一樣。工作調（或望遠鏡基線對）越多，就越容易掌握旋律的重點。 「即使你有一些壞掉的琴鍵，如果你能正確地彈奏其餘的琴鍵，你就能弄清楚曲調，部分原因是我們知道音樂聽起來是什麼樣的，」菲什說。 「儘管我們沒有 100% 的信息，但我們能夠重建圖像的原因是因為我們知道圖像的外觀」。

關於任何給定圖片可以包含多少隨機性、它應該有多亮以及相鄰像素看起來相似的可能性有多大，都有數學規則。這些基本準則可以告訴軟體如何決定哪些潛在影像或資料解釋最有意義。

在 2017 年觀測活動之前，EHT 研究人員進行了一系列成像挑戰，以確保他們的電腦演算法不會偏向創建符合黑洞外觀預期的影像。一個人會使用一張秘密影像來產生望遠鏡在觀察該來源時會看到的虛假資料。然後其他研究人員會嘗試重建原始影像。

“有時真實的圖像實際上並不是黑洞圖像，”菲什說，“所以如果你的演算法試圖找到黑洞陰影……你就不會做得很好。”練習幫助研究人員改進了用於渲染 M87 影像的資料處理技術。

黑洞及更遠的地方

至此，M87內部的黑洞終於得到了特寫。現在怎麼辦？

EHT 的黑洞觀測預計將有助於回答一些問題，例如一些超大質量黑洞（包括 M87 的黑洞）如何發射如此明亮的等離子射流（SN 線上：2019 年 3 月 29 日）。了解氣體如何落入黑洞並為黑洞提供能量也有助於解開黑洞如何進入的謎團。有些黑洞在早期宇宙中生長得非常快，勒布說（SN 線上：2018 年 3 月 16 日）。

勒佈建議，EHT 也可以用來尋找一對彼此繞軌道運行的超大質量黑洞——類似於兩個恆星質量黑洞碰撞產生重力波2015 年由先進雷射干涉儀重力波天文台或先進 LIGO 探測到（SN：2016 年 3 月 5 日，第 16 頁6）。對這些雙星進行普查可能有助於研究人員確定雷射干涉儀太空天線（LISA）的目標，該天線將從太空中搜索由黑洞等物體的運動引發的引力波（SN 線上：2017 年 6 月 20 日）。

亞利桑那大學圖森分校的天文物理學家 Daniel Marrone 表示，除了超大質量黑洞之外，EHT 沒有太多可行的目標。宇宙中很少有其他物體像超大質量黑洞周圍的空間一樣微小但發光。馬龍說：“你必須能夠從我們能夠探測到的微小天空中獲取足夠的光線。” 「原則上，我們可以讀取外星人的車牌或其他東西，」但它們需要超級明亮。

對於外星人探索者來說太糟糕了。儘管如此，即使 EHT 是只會耍花招的小馬，監視超大質量黑洞也是一個非常巧妙的把戲。