黑洞近景与世界级望远镜

我们星系中心的巨大黑洞大部分时间都相当平静，只是偶尔会爆发。但由于一大团气体和尘埃仍在螺旋状地涌向银河系中心，它随时可能爆发活动。

随着物质的突然涌入，这个通常宁静的黑洞——名为人马座 A*（发音为“A star”），质量相当于 400 万个太阳——将苏醒过来，释放出炽热的物质和辐射。

这团被称为 G2 的云预计将在今年最接近黑洞，尽管黑洞可能需要几十年才能消化完它的“空中猎物”。人马座 A* 并不经常进食，但它进食时（与其他黑洞一样）却很贪婪，吞下的物质远超其所能容纳的。黑洞强大的引力吸引着大量的气体和尘埃，形成巨大的交通拥堵，阻止了大部分物质进入黑洞。取而代之的是，物质不断堆积。

随着压力的增大，原子和更小的粒子相互碰撞，加热到数十亿摄氏度。由于无法进入，这些被激活的物质几乎以光速反弹到太空中，沿着黑洞强大的磁场形成延伸的发光喷流。至少，理论学家是这样认为的；关于这些喷流的许多细节，他们仍然一无所知。

没有人能准确预测人马座 A* 和 G2 的遭遇会如何发展。“我们不知道会发生什么，但我们知道银河系中心可能会有一些惊人的烟火表演，”麻省理工学院的 Haystack 天文台和哈佛-史密森天体物理中心的天文学家 Shep Doeleman 说。“这可能是观星者一生一次的机会，因为人马座 A* 是一个‘金发姑娘’式的黑洞，它足够大，也足够近，可以用地球上的望远镜分辨出来。”因此，随着这团云的最终坠落，世界各地的天文学家都将目光投向了星系的内部核心。

尽管有许多设备能够测量接下来这场“喂食盛宴”的不同方面，但只有一个望远镜有机会在此次爆炸性事件中获得真实图像并进行实时观测。Doeleman 领导着组建这个名为事件视界望远镜（EHT）的独特仪器的团队，该仪器可能首次展示当一大团物质落入一个巨大黑洞时到底会发生什么。“这团云会直接落入黑洞，还是会有一部分绕到旁边旋转出去？”他问道。没有人确切知道，因为直到现在，我们都无法看到这样的景象。

着眼目标

EHT 之所以得名，是因为它能在当下提供我们所能达到的最接近黑洞的视角，将我们 virtually 带到围绕它的不可见边界——一个被称为事件视界的球形壳——的边缘。黑洞是一个自身坍缩得如此猛烈，以至于其中心几乎无限密集的物体。它的引力 so 强大，一旦物质或光靠得太近并越过事件视界，就几乎无法回头。它被困在宇宙最终的“蟑螂旅馆”里。

与拥有单个大型反射镜或天线的传统望远镜不同，EHT 由一个分布在全球的协调无线电望远镜网络组成。亚利桑那州、加利福尼亚州和夏威夷的望远镜已经这样连接起来，Doeleman 希望很快能将全球大约半打地点的其他现有望远镜也纳入 EHT。通过连接相距甚远的几台天线，冻结它们捕捉到的光并创建一张合成图像，其效果就是“一个与地球一样大的反射镜，”他说。

这种将分散望远镜输入信息融合的通用方法，称为干涉测量，具有大幅提高角分辨率的潜力——即分辨天空中近距离分布的物体独立特征的能力。望远镜的孔径或“眼睛”越大，它能探测到的特征就越小。旨在覆盖我们地球的 EHT 将这一概念推向了极致：它的视力，虽然仍有改进空间，但已经比哈勃太空望远镜锐利 2000 倍。

修复博士

EHT 的主要技术挑战在于让网络中的所有望远镜协同工作，就像一台运转良好的机器。Doeleman，他热衷于技术挑战，非常适合这项任务，这项任务对他来说几乎就像一种爱好。他是个无可救药的修理工，经常修理他在马尔登（波士顿北部郊区）的家的线路。

Doeleman，一位身材苗条、看起来年轻的 47 岁男性，在 1986 年毕业于里德学院后不久，就开始在南极从事研究员和仪器修理工的工作。“在艰苦的条件下进行有趣的科学研究给我留下了深刻的印象，”他说。南极的夜空，“星星 literally 在闪耀”，也给他留下了深刻的印象，最终他决定在麻省理工学院攻读研究生，主修天文学。在那里，他在 Haystack 从事研究，研究 EHT 背后的“神奇技术”——利用多个天文台生成更清晰的图像。在 1995 年获得博士学位后，他继续这项工作，并于 1998 年回到 Haystack 工作。

几年后，Doeleman 开始思考，他一直在试验的干涉测量技术是否终于能够揭示银河系中心正在发生的事情——一直深入到潜伏在那里的庞大黑洞的边界。2006 年，他和他的同事们进行了观测。他们依靠亚利桑那州和夏威夷的望远镜（这些望远镜后来会成为 EHT 的一部分），试图在比以前更高的角分辨率下观测人马座 A*，但未能探测到他们期望在黑洞附近看到的信号。

事件视界望远镜内部

要了解 EHT 与普通望远镜的差异，一种方法是参观 Doeleman 的主要活动场所：Haystack 天文台，位于波士顿西北约 30 英里处。Haystack 有一台新翻修的直径 37 米（120 英尺）的无线电望远镜，可能会很快加入全球阵列。但该天文台还拥有一个更关键的设备——EHT 的“镜头”。

传统望远镜通常有一个抛物面形状的反射镜或透镜来将收集到的光聚焦到一个点，而 Haystack 的“镜头”是一个高 6 英尺的计算机堆栈。Doeleman 说，这个设备，或者说相关器，“是一种非常擅长做一件事的特殊超级计算机。“我们获取世界各地不同站点记录的光，进行比较和组合，用电子方式复制镜子用几何学所做的事情。”

每个 EHT 站点还配备了一种特殊的原子钟，称为氢原子钟。就像瑞士手表中的石英晶体通过以稳定的频率（每秒约 32,000 次）振动来计时一样，氢原子钟能促使一种特殊选择的氢原子发出 14.2 亿赫兹的射频波。氢原子钟的频率更高，因此精度 far 更高。

这种精确的时间记录使 Haystack 的科学家们能够关联地球表面不同地点的观测结果，并考虑地球曲率和每个望远镜的位置，精确到厘米。“这台钟每 1 亿年才慢一秒，”Doeleman 说。“它的稳定性如此之高，这就是你需要的水平。”

经过数月的调查，他们发现了问题所在，揭示了夏威夷一台无线电接收器存在缺陷。“很多科学，”Doeleman 说，“就是重新站起来，拍拍身上的灰尘，然后再次尝试。”这正是他们 2007 年所做的，他们使用了亚利桑那州和夏威夷的望远镜，并加入了加利福尼亚州的一台望远镜，组成了最初的三大 EHT 中坚力量。

再次审查数据时，Doeleman 开始“感到一阵激动”。他意识到，从人马座 A* 发出的无线电辐射——源于围绕黑洞旋转的炽热物质，就像水绕着浴缸的排水口一样——来自一个比预期小得多的区域。出于实际考虑，这非常幸运，因为大多数天文学家都认为黑洞太大了，无法仔细观察，他解释说，“就像把脸贴近墙壁，然后试图描述它。”

Doeleman 和他的同事们不仅看到了那堵“墙”；他们还获得了天文学史上分辨率最高的观测结果之一。这相当于在月球表面看到一个棒球。Doeleman 说，这是 EHT 概念的首次成功测试，“‘啊哈！’时刻，我们知道我们真的发现了什么。我们知道我们终于能够进入一个时空区域”——就在黑洞事件视界之外——“到目前为止，这个区域一直 eluded 天文学家。”

但 EHT 的真正目标尚未到来。到目前为止，Doeleman 和他的同事们只能确定黑洞附近的无线电辐射来自一个特定区域，并且他们能够确定其大小。然而，他们无法对其进行详细的地图绘制或成像。这是下一步——获取黑洞及其周围环境的真实快照——而这将需要一个扩展的 EHT 网络，具有更广泛的全球覆盖范围才能实现。Doeleman 说，获得这样的图像，“将大大增强我们辨别细节的能力。我们将能够以 unbiased 的方式准确地看到那里发生了什么。”

宏大的图景变得更宏大

除了目睹 G2 云落入人马座 A* 时的星系光秀，EHT 还可以解决关于我们宇宙的更基本问题。更具体地说，研究人员希望捕捉到黑洞的剪影——围绕着黑洞黑暗、难以捉摸的内部的炽热、发光气体形成的明亮环。

这个发光的环被称为“最后一个光子轨道”，代表着光在不被不可逆转地吸入的情况下，能够围绕黑洞运行的最近的地方。它就在事件视界之外。Moreover，这个环的形状为广义相对论（阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论）提供了检验场，该理论预测了一个大致圆形的阴影。滑铁卢大学和周界研究所的理论天体物理学家 Avery Broderick 说：“如果我们看到一个形状奇特、明显偏离圆形的形状，我们可以尝试找出需要何种程度的广义相对论偏差才能产生它。”Broderick 补充说，要看到这个阴影，你需要一个像 EHT 一样强大的仪器。“这是唯一能够做到这一点的东西。”

爱因斯坦于 1915 年提出了他的理论，并且该理论经受住了实验者提出的所有考验，因此发现任何偏离广义相对论的现象都将是巨大的。Doeleman 说，产生一个将这个百年理论置于审判席上的图像，不需要任何概念上的突破。“这仅仅是围绕地球部署更多望远镜的问题”——安装更多的“光桶”，它们可以收集更多的光子，从而积累更多信息，同时提高角分辨率。他正在努力实现这一点。

该团队的近期目标是将 EHT 从目前的三个站点扩展到九到十个，包括南极、格陵兰岛、墨西哥以及 Haystack 最近升级的望远镜——“让我开始的那台碟形天线，”正如 Doeleman 所指出的。“迄今为止，最大的贡献将来自智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA），这是同类中最大的射电望远镜。这就是为什么 Doeleman 和他的 EHT 同事们正在努力研究一种方法，从 ALMA 的 50 多个射电望远镜中提取射电信号，而不会干扰该阵列的主要任务：研究宇宙的起源。”

Doeleman 喜欢去像 ALMA 这样耗资数十亿美元、海拔超过 16,000 英尺的射电设施，并使其与其他网络协同工作，这种技术问题正是他所热衷的。他说，每个组件都必须经过 double 和 triple 检查，以确保整个系统能够执行最高精度的干涉测量。“但对我来说，让一台新望远镜这样工作，真的让我感到兴奋。”

当然，这个项目不仅仅是技术上的奇迹。归根结底，它是关于捕捉宇宙中最 bizarre 的一些地方的掠影——这些地方我们以前只能猜测，他说。它是关于尽可能地接近黑洞，然后退后一步，与全世界分享非凡的景象。

一窥宇宙的稀有景象

Doeleman 和他的 EHT 合作者们实际上从一个 remarkable 的巧合中受益。纯属偶然，EHT 的有效孔径大小恰好意味着他们能够分辨出的最小空间斑块与目前已知的银河系黑洞的事件视界大小非常接近。

在这种情况下，一切都恰到好处：EHT 几乎完美地适合其任务。Doeleman 将其归因于使日食成为可能的那种好运气：“月亮必须大小恰到好处，这样从地球到它的特定距离，它才能完全遮挡太阳。没人计划过。它就是发生了。”

这并不是 EHT 团队唯一一次幸运。附近的巨型星系 M87 的中心有一个巨大的黑洞（质量超过 60 亿个太阳），它为天文学家提供了类似的“日食效应”，Doeleman 指出。“它的质量大约是银河系黑洞的 2000 倍，但它也大约是 2000 倍远，所以它们的角大小相同，”这使得它成为 EHT 的另一个理想目标。

这两个天体——它们拥有从地球上可以看到的任何黑洞中最大的视事件视界——是互补的：人马座 A* 通常代表安静、不活跃的黑洞，而 M87 则代表产生长长的气体和粒子喷流的活跃黑洞。

这些喷流特别引起了 Doeleman 和他的同事们的关注，他们在 2009 年和 2012 年通过 EHT 观测了 M87。观测结果表明，M87 的无线电辐射产生的区域并不比事件视界本身大多少。通过确定最强烈辐射物质的来源，他和他的同事们相信他们已经找到了 M87 强大喷流的底部，这些喷流似乎就源自黑洞的边缘。“所以我们认为我们已经接近了黑洞的边缘，”Doeleman 说。这些关于喷流“*何处*形成”的新见解，应该有助于理论家们解决关于喷流“*如何*形成”的另一个长期存在的谜团。

[本文最初以“到边缘再回来”的标题刊登在印刷版上。]