互动科普

导语：事件视界望远镜历史性地追寻超大质量黑洞阴影的图像，为揭开黑洞神秘面纱开了个好头。

 关键词：黑洞，事件视界望远镜，甚长基线干涉

气体云被银河系中心的巨大黑洞撕裂，图源：ESO/S. Gillessen

上周二（2017.04.04），位于麻省剑桥的事件视界望远镜(EHT)指挥中心那边的天气糟糕到了极点：阴雨绵绵，且仅有40华氏度。不过这都不重要，要紧的是夏威夷、亚利桑那、西班牙、墨西哥中部、智利北部和南极的天气情况。所有这些地方的天气同时晴朗吗？如果是这样，他们有机会对黑洞进行抓拍。

为了这次的实验，来自世界各地的50多位天文学家前往分布于四个国家的高频射电望远镜，包括：智利的ALMA（阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列）和APEX（阿塔卡玛探路者实验），墨西哥的LMT（大型毫米波望远镜），亚利桑那的亚毫米波望远镜，夏威夷的SMA（亚毫米波阵列望远镜）和JCMT（詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔望远镜），西班牙韦莱塔峰的IRAM（射电天文毫米波研究所）30米望远镜。一位在南极驻扎的工作人员将操作位于南极圈的望远镜，此前他已经过EHT天文学家的培训。利用一种叫做“甚长基线干涉”的技术，天文学家将把这些地理位置遥远的站点结合成为一个地球尺度的虚拟望远镜，它可以拍摄某些超大质量黑洞在周围过热物质照耀下投射出的阴影。主要目标就是位于银河系中心的四百万太阳质量的超大黑洞——人马座A*。

那天早些时候，EHT的负责人Shep Doeleman召集少数同事在项目指挥中心（由位于哈佛大学的“黑洞倡议”教师办公室改装而成）监测整体活动。在观测现场的天文学家通过手机、Slack 和Webex（聊天群组、视频会议软件）签到。他们有直到当地时间下午4点的时间来决定是否进行观测。

那一晚是十天窗口期中5个机会的首次，他们决定得直截了当。

所有上述地点的天空都十分晴朗，其中一些地方的天气好到了极点。几乎就像是宇宙决定了这个合适的时机去揭开黑洞的秘密。Shep Doeleman 说道：“现在正是下午，冒纳凯阿火山的Tau值达到0.07。” “Tau”值测量的是介质的光学深度，在这个背景下，也就是地球大气的光学深度。介质的Tau值越大，光线就越不容易透过。随着夜晚的临近，“Tau值从下午开始就逐渐下降，这太难得了。”

MIT海斯塔克天文台的技师Jason SooHoo远程监控着各台址的数据记录仪，说道：“倒计时20秒”。

Doeleman转身对SooHoo说，“从五秒开始倒数。”

“你确定？”

“当然，我想听到倒数。”Doeleman说。

“好”，SooHoo说，“五、四、三、二、一。好了，开始记录！”

于是事件视界望远镜计划已久的企图对黑洞直接成像的项目开始了。

自从2006年以来，每年有小规模的望远镜组合进行合作观测，但今年是首次有足够多的天文台站参与，因此这个望远镜阵列也足够强大到让我们看到真实影像。

我已经关注EHT五年的时间了，很少看到一个观测项目进展顺利。这周情况变得不同了。诚然，技术小故障总是有的，但就我们目前所知，没有什么灾难性的机械故障导致望远镜整晚无法工作，也没发生有缺陷的电缆或者驱动盘获取数据失败。再加上极好的天气，他们真的太幸运了。

为了提高天文学家们在所有台址获得好的天气条件的机率，参与项目的望远镜在10天期间会分配给EHT五个晚上的时间使用。每个台址的天气都足够好，EHT得以在窗口期的前三个晚上进行连续观测。如此好运在实测天文领域实属罕见。事实上，该团队在那三天里观测了如此多个小时，以至于最终工作人员的疲劳成为了主要的限制因素。在两天休息的同时，团队排除了一些技术故障，并耐心等待不太理想的天气过去，然后又进行了连续两夜的观测，并在4月11日早上提前结束了今年的观测任务。

对甚长基线干涉技术最深的讽刺就是天文学家在几个月内都不会弄清楚他们的望远镜看到了什么。首先，他们必须将硬盘从各望远镜地址运送到位于麻省的海斯塔克天文台以及德国波恩的马克斯普朗克射电天文研究所。那会花费一些时间。南极圈望远镜的硬盘则会困在南极直到十月份，那时令人望而却步的南半球严冬结束，例行飞行重新开始往返于这地球的尽头。

接下来，天文学家会把硬盘中的数据输入超级计算机中，把从全部八台望远镜搜集的数据倒入同一个关联的集合。如果数据是完好的，那些共同的探测信号会逐渐积累直到图像显现出来。之后，他们还得去解释那些图像。有没有看到期望的结果？或者有什么不明白的东西？只有在反复检查过结果和解释之后，他们才开始最终阶段：撰写文章并递交给同行评议。

这一过程少说也要一年的时间。然而，其结果却会激起更长久的回响。和拍摄一个漂亮的黑洞图像一样酷，细节也同样重要。阴影的形状、大小、和周围吸积盘的关系，以及其他参数都可能揭示爱因斯坦广义相对论的局限性，深入揭示时空本质的秘密，帮助指明通往我们长久以来寻觅的量子引力理论之路。不论事件视界望远镜的全阵列观测首秀进展得多么顺利，宇宙也不会那么轻易透露这些秘密吧。

作者：Seth Fletcher

Seth Fletcher是《科学美国人》的高级编辑。他正在写一本关于事件视界望远镜和追寻首个黑洞图像的书。Twitter @seth_fletcher.

翻译：张雅鹏 审校：刘财兴

原文链接：https://blogs.scientificamerican.com/dark-star-diaries/clear-skies-with-a-chance-of-black-holes/