有史以來第一張黑洞照片可能是科學上的一個里程碑，但事實證明，用于捕捉它的望遠鏡陣列同樣具有開創(chuàng)性。天文學家今天發(fā)布了梅西耶 87 星系 (M87) 中心黑洞的詭異圖像，但這是全球各地設施多年工作的結晶。

梅西耶 87 很接近，至少在天文方面是這樣。這個橢圓星系距離地球大約 5500 萬光年，位于室女座星系團中。它實際上是當?shù)赜钪嬷匈|量最大的星系之一，早在 1781 年就被查爾斯·梅西耶發(fā)現(xiàn)并以他的名字命名。

雖然這個星系可能在幾個世紀前就被發(fā)現(xiàn)了，但其中心的超大質量黑洞仍然是幾個謎團的來源。例如，宇航局此前曾觀測到從 M87 中心噴出的高能粒子射流，以接近光速的速度移動。它延伸超過一千光年。與此同時，哈勃太空望遠鏡在噴流中發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的物質團，稱為 HST-1，它以讓科學家們感到困惑的方式變亮和變暗。

你看不到黑洞——只能看到它的影子

研究黑洞的部分問題在于，首先是什么讓它們如此有趣：它們如此貪婪，甚至光也無法逃脫。黑洞的公認邊界是事件視界，即光無法抵抗引力的點。在沒有能量逸出的情況下，很難對黑洞進行成像。

解決辦法是觀察，不是觀察黑洞本身，而是觀察它投下的陰影。在事件視界之外，所涉及的巨大力量將使周圍的氣體和其他材料過熱，并扭曲時空本身。如果——像 M87 一樣——黑洞位于較亮的發(fā)光氣體區(qū)域的中間，引力彎曲會導致形成陰影。

這就是這張新圖像捕捉到的陰影，一個位于發(fā)光氣體云中心的墨汁坑。即便如此，黑洞本身也比陰影小得多：實際上大約小 2.5 倍。盡管如此，它仍有大約 250 億英里寬。

沒有一臺望遠鏡的強度足以看到 M87

“多年前，我們認為我們必須建造一個非常大的太空望遠鏡來成像黑洞，”宇航局華盛頓總部天體物理學部主任保羅赫茲談到新發(fā)現(xiàn)時說。雖然這并非不可能——而且宇航局確實正在開展一些超強大的望遠鏡項目——但它使捕捉黑洞圖像成為一種遙遠的可能性。事實上，一臺能夠看到 M87 運行中的望遠鏡可能距離實現(xiàn)還有幾十年的時間。

相反，科學家們轉向小組工作來超越這一估計。事件視界望遠鏡 (EHT) 不是一臺儀器，而是結合了八臺儀器的數(shù)據(jù)，實際上形成了一種超級強大的 M87 成像方式。

ALMA、APEX、IRAM 30 米望遠鏡、James Clerk Maxwell 望遠鏡、大型毫米波望遠鏡 Alfonso Serrano、亞毫米波陣列、亞毫米波望遠鏡和南極望遠鏡都是 2017 年 4 月進行的綜合觀測。這些儀器都不是物理連接。相反，他們將數(shù)據(jù)保存到高性能硬盤驅動器上，這些信息由馬克斯普朗克射電天文研究所和麻省理工學院海斯塔克天文臺的超級計算機整理。

數(shù)據(jù)量也不小。事實上，每臺望遠鏡每天大約捕獲 350 TB 的數(shù)據(jù)。EHT 團隊沒有嘗試以數(shù)字方式發(fā)送該信息，而是將驅動器加載到飛機上，然后將它們飛到超級計算機的位置。

時間就是一切

八臺望遠鏡協(xié)同工作，關鍵是讓每個望遠鏡的數(shù)據(jù)準確對齊。每個人都使用原子鐘來精確記錄每次觀察的時間。這些時鐘使用氫脈澤來提高準確性，它依靠單個氫原子來測量頻率。

結果就是 EHT 項目所描述的“虛擬地球大小的望遠鏡”。它主要使用射電望遠鏡，但同時也記錄了 X 射線和伽馬射線波段的觀測結果。

“EHT 觀測使用一種稱為超長基線干涉測量法 (VLBI) 的技術，該技術使世界各地的望遠鏡設施同步，并利用我們星球的自轉形成一個巨大的地球大小望遠鏡，以 1.3 毫米的波長進行觀測。VLBI 允許 EHT 實現(xiàn) 20 微角秒的角分辨率——足以從巴黎的人行道咖啡館閱讀紐約的報紙“EHT

不僅僅是望遠鏡陣列需要工作。EHT 團隊還需要為在兩臺超級計算機位置處理的數(shù)據(jù)創(chuàng)建自定義處理算法，以便從捕獲的數(shù) TB 中做出有意義的事情。

可縮放的望遠鏡

雖然第一張黑洞圖像可能是一個巨大的里程碑，但這只是 EHT 團隊希望完成的工作的開始。雖然今天可能有八個地點在線，但很快該陣列將進一步擴展。三臺新望遠鏡——IRAM NOEMA 天文臺、格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡——將上線并加入黑洞搜尋。

當這種情況發(fā)生時，項目的期望是“顯著增加敏感性”。不僅如此，它還將更加靈活。不同地區(qū)的不同望遠鏡受天氣、季節(jié)條件和其他因素的影響。盡管有這些考慮，增加可以在任何時間運行的儀器數(shù)量將使 EHT 可以捕獲數(shù)據(jù)的時間范圍更廣。

目前，科學家們正在研究第一批信息，新的發(fā)現(xiàn)很可能會跟隨黑洞照片。懸而未決的問題包括諸如被吸入黑洞的能量究竟去了哪里，以及為什么圍繞它們的粒子可以形成如此高能量的噴流等謎團。需要大望遠鏡才能回答的大問題。