隨著時(shí)間的流逝，人類積累的知識(shí)總量只會(huì)不斷增加。2015年初，人類還從未探測(cè)到引力波；而現(xiàn)在，我們已經(jīng)探測(cè)到了11個(gè)，預(yù)計(jì)2019年可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)。在20世紀(jì)90年代初，我們不知道太陽系外是否有行星；今天，我們知道有成千上萬顆這樣的星球，其中一些幾乎可以被認(rèn)為是與地球類似的。

我們已經(jīng)找到了標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子；我們發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹；我們已經(jīng)確定了宇宙中存在多少星系。但2019年，一件前所未有的新的事情將會(huì)發(fā)生：我們將首次描繪出黑洞的事件視界。所有的數(shù)據(jù)都已就位，剩下的只是時(shí)間問題。

○ 這里模擬的是銀河系中心的黑洞，這是我們從地球視角能看到的最大黑洞。2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope, EHT）將首次拍攝到這顆銀河系中央黑洞的事件視界的樣子。白色圓圈表示黑洞的史瓦西半徑。| 圖片來源：UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSIT?T HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER

一旦知道要尋找什么，黑洞是相當(dāng)容易被探測(cè)到的物體。這似乎有違直覺，因?yàn)楹诙幢旧聿话l(fā)光，但它們確實(shí)有三個(gè)確鑿無疑的特征，使我們滿懷信心地確定它們就在那里。

• 黑洞在非常小的空間中產(chǎn)生巨大的引力——空間的扭曲/彎曲。如果我們能觀測(cè)到大而致密的質(zhì)量的引力效應(yīng)，我們就能推斷出黑洞的存在，并有可能測(cè)量它的質(zhì)量。

• 黑洞強(qiáng)烈影響著它們周圍的環(huán)境。它附近的任何物質(zhì)不僅會(huì)感受到強(qiáng)烈的潮汐力，而且會(huì)加速和升溫，導(dǎo)致它從事件視界外發(fā)出輻射。當(dāng)我們探測(cè)到這種輻射時(shí)，我們可以重建為之提供能量的物體的屬性，而這通常只能用黑洞來解釋。

  

  ○ 黑洞的引力是如此的強(qiáng)大，以至于連光進(jìn)入到它的掌控范圍都無法逃脫。黑洞的基本結(jié)構(gòu)包括了隱藏在一個(gè)事件視界內(nèi)的奇點(diǎn)。在事件視界內(nèi)，逃逸速度（V_逃逸）超過了光速（c），因此一旦物體落入就永遠(yuǎn)被困住了。
  

• 黑洞可以彼此旋進(jìn)，并最終合并在一起，導(dǎo)致它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)釋放出可探測(cè)到的引力波。這只能用引力波天文學(xué)這項(xiàng)新科學(xué)來探測(cè)（詳見《時(shí)空的秘密》）。

然而，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）的目標(biāo)是比這些方法更進(jìn)一步。不像以上的三種手段，它并不是通過測(cè)量來間接推斷黑洞的性質(zhì)，而是直擊核心——拍攝黑洞事件視界的圖像。這樣做的方法簡單而直接，但從技術(shù)角度而言，這直到最近才成為可能。原因是兩個(gè)在天文學(xué)中通常密切相關(guān)的重要因素的結(jié)合：分辨率和光收集。

○ 宇宙中最遠(yuǎn)的X射線射噴射來自類星體GB 1428，從地球上看，其距離和年齡與類星體S5 0014 81差不多，而后者可能是宇宙中已知最大黑洞的棲居地。這些遙遠(yuǎn)的龐然大物被認(rèn)為是由合并或其他引力相互作用激發(fā)的，但只有質(zhì)量與距離比最大的黑洞才有機(jī)會(huì)被事件視界望遠(yuǎn)鏡分辨。| 圖片來源：X-RAY: NASA/CXC/NRC/C.CHEUNG ET AL; OPTICAL: NASA/STSCI; RADIO: NSF/NRAO/VLA

因?yàn)楹诙词侨绱酥旅艿奈矬w，我們必須達(dá)到極高的分辨率。但是因?yàn)槲覀儗ふ业牟皇枪獗旧?，而是光的缺失，我們需要非常仔?xì)地收集大量的光來確定事件視界的陰影究竟在哪里。

○ 超大質(zhì)量黑洞的周圍會(huì)形成一個(gè)由氣體、塵埃和恒星碎片組成的吸積盤。吸積盤的朝向是面朝上（左邊兩張圖）還是邊緣朝上（右邊兩張圖），會(huì)極大地改變黑洞在我們看來的樣子。| 圖片來源：'TOWARD THE EVENT HORIZON—THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER', CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013)

傳統(tǒng)上，分辨率更高的望遠(yuǎn)鏡和光收集能力更好的望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是同一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡的分辨率是由穿過望遠(yuǎn)鏡的光的波長數(shù)量決定的，所以口徑更大的望遠(yuǎn)鏡有更高的分辨率。

同樣的道理，能收集到的光的量是由望遠(yuǎn)鏡口徑大小決定的。任何撞擊望遠(yuǎn)鏡的光子都會(huì)被收集起來，所以望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，收集光的能力就越強(qiáng)。

分辨率一直是個(gè)重大的限制因素。黑洞的外觀大小與其質(zhì)量成正比，但與它離我們的距離成反比。要想從我們的角度看到最大的黑洞——位于銀河系中心的人馬座A*——需要一個(gè)大約相當(dāng)于地球大小的望遠(yuǎn)鏡。

○ 在銀河系核心的超大質(zhì)量黑洞附近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量恒星。除了這些恒星和我們發(fā)現(xiàn)的氣體與塵埃，我們預(yù)計(jì)，在距離人馬座A*短短幾光年的范圍內(nèi)，將會(huì)有超過10000個(gè)黑洞存在，但直到2018年初，要找到它們都很困難。要探測(cè)到中央黑洞是一項(xiàng)只有事件視界望遠(yuǎn)鏡才能完成的任務(wù)。| 圖片來源：S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP

顯然，我們沒有足夠的資源來制造這樣的設(shè)備！但我們還有下一個(gè)優(yōu)勢(shì)：建造一系列望遠(yuǎn)鏡的能力。當(dāng)我們有一個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列時(shí)，光收集能力依然只是所有單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的總和；但在精巧的設(shè)計(jì)下，望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨力卻是驚人的。

換句話說，光收集確實(shí)受到望遠(yuǎn)鏡尺寸的限制。但是，如果我們使用長基線干涉測(cè)量技術(shù)（或者它的同類，甚長基線干涉測(cè)量技術(shù)，VLBI），那么分辨率可以通過使用彼此間距很大的望遠(yuǎn)鏡陣列大大提高。

事件視界望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)由15-20個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，這些望遠(yuǎn)鏡分布在地球上許多不同的大陸上，從南極洲到歐洲、南美洲、非洲、北美洲、大洋洲，以及太平洋上的一些島嶼。總而言之，陣列中距離最遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡相距12000公里。這轉(zhuǎn)化為分辨率就是15微角秒（μas），如果一只蒼蠅位于400000公里之外的月球上，那么它看起來就是這么小。

○ 散布在全球的一系列望遠(yuǎn)鏡組成了事件視界望遠(yuǎn)鏡，可以提高成像能力。從2011到2017年的數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠讓我們現(xiàn)在構(gòu)建出人馬座A*的圖像，或許還有M87中心的黑洞的圖像。| 圖片來源：APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN

當(dāng)然，月球上可能沒有蒼蠅，但是宇宙中確實(shí)存在角距大小超過15μas的黑洞。事實(shí)上，有兩個(gè)這樣的黑洞：銀河系中心的人馬座A*和M87星系中心的黑洞。M87中心的黑洞位于5000萬到6000萬光年之外，但它的質(zhì)量約66億個(gè)太陽質(zhì)量，比我們銀河系中心的巨型黑洞大1000多倍。

○ 這是從地球上看到的第二大的黑洞——位于M87星系中心的黑洞的三張圖像。盡管它的質(zhì)量有66億個(gè)太陽質(zhì)量，卻比人馬座A*的距離還要遠(yuǎn)2000多倍。它或許可以被EHT探測(cè)到，或許不能，但如果宇宙是善良的，我們終究會(huì)得到一個(gè)圖像。| 圖片來源：TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE

事件視界望遠(yuǎn)鏡的工作原理是，利用大量的射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)這些黑洞，這使我們能夠重建一個(gè)超高分辨率的圖像，無論觀測(cè)的是什么物體，只要收集到足夠的光來觀測(cè)它。以前，許多天文臺(tái)已經(jīng)證實(shí)了這個(gè)概念，例如大型雙筒望遠(yuǎn)鏡（Large Binocular Telescope），它成功地拍攝到了木星的衛(wèi)星——木衛(wèi)一（Io）上火山爆發(fā)的圖像。

因此，讓事件視界望遠(yuǎn)鏡工作的關(guān)鍵是，確保我們收集到足夠的光線來觀察黑洞事件視界投射出的陰影，同時(shí)成功地對(duì)來自黑洞周圍和后面的光進(jìn)行成像。黑洞會(huì)加速物質(zhì)，帶電粒子的加速不僅會(huì)產(chǎn)生磁場，如果帶電粒子在磁場的存在下加速，還會(huì)產(chǎn)生輻射。

最安全的選擇是查看頻譜的射電部分，也就是能量最低的部分。所有加速物質(zhì)的黑洞都應(yīng)該會(huì)發(fā)射射電波，我們從銀河系中心和M87星系的中心都看到過它們。區(qū)別在于，在新的、高分辨率望遠(yuǎn)鏡下，我們應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)事件視界本身所在處的“空白”。

能夠構(gòu)造這些圖像的技術(shù)革命來自于ALMA：阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。66臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成一個(gè)難以置信的網(wǎng)絡(luò)，所有的射電望遠(yuǎn)鏡本身都是巨大的，通過測(cè)量這種長波段的光（無線電波）來揭示前所未有的天文細(xì)節(jié)。

○ 阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）與它頭頂?shù)柠溦軅愋窃啤Ｗ鳛锳LMA的一部分，大量彼此靠近的望遠(yuǎn)鏡有助于創(chuàng)建一些區(qū)域的許多最詳細(xì)的圖像，而少量較遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡有助于在最明亮的位置磨合細(xì)節(jié)。| 圖片來源：ESO/C. MALIN

阿塔卡馬已經(jīng)向我們展示了新形成的恒星周圍的塵埃盤的圖像，以及在內(nèi)部形成的嬰兒行星（圓盤上環(huán)狀的空隙）的證據(jù)。ALMA能以一種甚至比哈勃望遠(yuǎn)鏡更高級(jí)的方式拍攝超遙遠(yuǎn)的星系，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了分子氣體特征和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。

但ALMA最大的科學(xué)貢獻(xiàn)也許將是，從圍繞這些超大質(zhì)量黑洞的光中收集到的所有信息。足夠快地寫下足夠多的（正確類別的）數(shù)據(jù)，然后用足夠強(qiáng)的計(jì)算能力把它們結(jié)合起來并進(jìn)行分析，直到現(xiàn)在，這才第一次成為可能。

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