觀測黑洞的「事件視界望遠鏡」究竟多強大?盤點史上10大太空觀測...

「人類史上首張黑洞照片」仍在刷屏。為了完成這張特寫，科學家們調動了全球從兩極到赤道共8個天文臺的力量進行圖片數據拍攝，之後，又有來自全球的62家科研機構共同參與了照片的合成。

有人形容，觀測黑洞的難度，就像讓站在地球上的你尋找月球上的一枚硬幣一樣。目前，我們人類最強大的光學望遠鏡能夠拍攝到最清晰的月球表面，其畫面為1.3萬像素，而每個像素裡能容納150萬個硬幣。難度可想而知。

而且，如果沒有機器學習等相關的數據處理技術，這人類史上第一張照片可能要推遲個幾十年面世了。

從觀測角度來看，這是基線最長、規模最大的一次關於黑洞的射電成像；從科學的角度，這也是第一次高解析度的觀測黑洞邊界，也是一次激動人心的觀測驗證理論的大事件，重要性不亞於引力波被發現。

根據質量，天文學家將宇宙中的黑洞分為恆星級質量黑洞（幾十倍-上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介於兩者之間）三類。

要對黑洞成像，最好的工具莫過於甚長基線幹涉測量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）技術。VLBI利用廣為分布（距離可達上萬或幾十萬公裡）的射電望遠鏡，通過各臺站獨立記錄信號和後期對信號的綜合相關處理，獲得一個大小相當於各臺站之間最大間距的巨型（虛擬）望遠鏡。該技術可取得天文研究中最高的分辨本領。

隨著新的、高靈敏度亞毫米波臺站（尤其是Atacama Large Millimeter/submillimeter Array等）加入到全球1.3毫米-VLBI陣列，黑洞的成像觀測成為可能。

由於需要極高的靈敏度，組成全球網絡的8個射電望遠鏡分布在多個高海拔地區，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。「這些望遠鏡的解析度相當於能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。」中方科學家、上海天文臺研究員路如森說。

「看」得遠、「看」得清仍然不夠，給黑洞拍照還要「看」得準（最佳波段在1毫米附近）。黑洞周圍氣體的輻射在短毫米波段變得透明（「光學薄」），這一點對黑洞成像至關重要。

臺站的布局、靈敏度的提升等很多重要因素也需要考慮。

組成EHT望遠鏡分別是：南極望遠鏡（South Pole Telescope）；位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA）；位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（Atacama Pathfinder Experiment）；墨西哥的大型毫米波望遠鏡（Large Millimeter Telescope）；位於美國亞利桑那州的（Submillimeter Telescope）；位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡（Submillimeter Array）；位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。

（圖源：SCMP）

EHT項目此前宣布，用這一虛擬望遠鏡「拍照」的重點對象是兩個黑洞，一個是位於銀河系中心的「人馬座A*」，另一個位於代號M87的超巨橢圓星系中心。黑洞照片是由此望遠鏡網絡收集的數據，拼湊而成。

在這次拍照前，天文學家是通過各種間接的證據來表明黑洞的存在，主要有三類代表性證據：一是恆星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞的強引力對周圍的恆星、氣體會產生影響，科學家可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在；二是根據黑洞吸積物質發出的光來判斷黑洞的存在；三是通過看到黑洞成長的過程「看」見黑洞。此外，還有很多類似證據，無不說明黑洞真實存在。

但安徽省合肥市中國科技大學天體物理學家楊偉教授表示，即使在最高解析度的情況下，圖像仍會留下一些未解決的基本問題。

例如，黑洞的正中心被認為小於原子。然而，亞原子世界受量子物理學的支配，量子物理學是一套完全不同於愛因斯坦為宇宙規劃的方程式的規則。「最終的真相仍將留在黑暗中。」他說。

EHT也表示，後續還會給更多黑洞進行拍照及研究，人類將能更深入地理解宇宙。

「黑洞」之謎還有待深入，人類歷史上那些頂級觀測望遠鏡在探索太空的徵程上卻永不止步：

1）中國

首個X射線太空望遠鏡

2017年6月15日早上，中國發射了首個X射線太空望遠鏡，該望遠鏡將被用於觀測諸如黑洞、脈衝星和伽馬射線暴、暗物質、中子星、超新星等高能實體，以更好地理解它們的能量來源。同時我國成功發射首顆X射線空間天文衛星「慧眼」，填補了我國空間X射線探測衛星的空白，實現我國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。衛星的4個主載荷觀測能段基本覆蓋整個X射線譜段，具有全天球掃描、目標定點凝視、小天區深度掃描和伽瑪暴探測等多種探測模式。

「天眼」（FAST）：全球最大的球面射電望遠鏡

中國在貴州建造了地球上最大的球面射電望遠鏡之一，其直徑超過500米。這個球面射電望遠鏡被當地人稱為「天眼」。2017年10月，在剛剛啟用一年之際，「天眼」發現了兩顆新脈衝星，距離地球分別約4100光年和1.6萬光年，是中國射電望遠鏡首次發現脈衝星。作為世界最大的單口徑望遠鏡，FAST將在未來20-30年保持世界一流設備的地位。

郭守敬望遠鏡（LAMOST）：光譜獲取率最高

郭守敬望遠鏡（LAMOST，大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡）是一架橫臥南北方向的特殊的中星儀式反射施密特望遠鏡。其有效通光口徑為4米，視場角直徑為5度。在5度視場、直徑為1.75米的焦面上放置4000根光纖，可同時獲得4000個天體的光譜，使其成為世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。

LAMOST的建成，突破了天文望遠鏡大視場與大口徑難以兼得難題，成為目前國際上口徑最大的大視場望遠鏡，是我國光學望遠鏡研製的又一裡程碑，顯著提高了我國在大視場多目標光纖光譜觀測設備領域的自主創新能力。

西藏羊八井望遠鏡（CCOSMA）：北半球檯址最高

經過幾年來中德科技人員的共同努力，成功將位於瑞士阿爾卑斯山海拔3100米Gornergrat的3米口徑KOSMA亞毫米波望遠鏡技術拆移至中國西藏當雄縣海拔4300米的羊八井，並更名為中德亞毫米波望遠鏡（CCOSMA），同時該望遠鏡歸屬於國家天文臺及中國天文界。

這是中國第一架可用於常規天文觀測的亞毫米波望遠鏡，也是目前北半球檯址海拔最高的亞毫米波望遠鏡，建成後的羊八井天文觀測站也是中國科學院國家天文臺建於西藏的第一個專業天文臺站。

2）美國

費米伽瑪射線空間望遠鏡（GLAST）

費米伽瑪射線空間望遠鏡發射於2008年，運行於近地低空軌道，隸屬於美國宇航局、美國能源部和法國、德國、義大利、日本及瑞典等國。這臺世界上最強大的望遠鏡通過高能伽馬射線觀察宇宙，最初被稱作「伽馬射線廣域空間望遠鏡」(Gamma-ray Large Area Space Telescope)，但是當這臺望遠鏡建成後開始正常運行時，人們又根據義大利科學家恩裡科·費米的名字給它重新命名。

費米伽瑪射線空間望遠鏡能夠探測到宇宙中最強大的射線。超大質量黑洞、中子星碰撞以及超新星爆炸都可能發出超強能量輻射。因此，費米伽瑪射線空間望遠鏡的主要任務就是研究黑洞和暗物質。

克卜勒太空望遠鏡：退役前發現了2662顆系外行星

2018年10月30日，NASA官方宣布，克卜勒望遠鏡因燃料耗盡而無法繼續開展作業，它會在當前所在軌道停止工作，9年的探索工作畫上句號。NASA說，克卜勒望遠鏡發現了2662顆系外行星，其中許多行星可能孕育著生命。其繼任者是2018年4月發射升空的「凌日系外行星勘測衛星」。

NASA「寬視場紅外巡天望遠鏡」(WFIRST)

美國國家航空航天局(NASA)正在規劃的「寬視場紅外巡天望遠鏡」(WFIRST)有望為人類提供有史以來最大、最深層、最清晰的宇宙圖像，發現超過1000顆行星，進一步揭示宇宙的奧秘。

WFIRST由NASA和諸多天文學家設計，旨在發現新行星並研究暗能量(可能是破解宇宙膨脹之謎的關鍵)。WFIRST項目於2018年5月開始規劃，預算約32億美元，俄亥俄州立大學參與了該項目的啟動、研究設計等工作。

據NASA Exoplanet檔案顯示，自天文學家開始搜索以來，已發現了3,917顆確認的系外行星。新的研究估計，WFIRST可以識別出太陽系以外的1400顆行星，包括大約100顆質量與地球相似或更低的行星。

克卜勒發現的行星與其恆星間的距離小於地日間距離；而WFIRST則相反。WFIRST將藉助引力微透鏡效應來尋找新行星，微透鏡效應與愛因斯坦的相對論有關，它使望遠鏡能在距地球數千光年遠(比其他行星搜尋技術遠得多)的地方找到繞恆星旋轉的行星。但該效應僅在行星或恆星的引力使另一顆恆星的光線彎曲時才起作用，所以任何給定行星或恆星的微透鏡效果每幾百萬年才能看到幾個小時。有鑑於此，WFIRST將對銀河系中心的1億顆恆星進行長期連續監測。

哈勃望遠鏡

哈勃太空望遠鏡1990年進入近地軌道，之後不斷向地球傳回驚人的天文發現。

美國航天局大型軌道天文臺計劃包括的4顆大型空間望遠鏡：哈勃望遠鏡、康普頓γ射線天文臺、錢德拉X光天文臺、斯皮策空間望遠鏡，分別工作在可見光和紫外線、伽瑪射線及硬X射線、軟X射線、紅外線、這些不同的波段，取得了一定的成果。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

韋伯太空望遠鏡（JWST）是哈勃望遠鏡的「接班人」。實際上是由美國國家航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）與加拿大宇航局（CSA）聯手打造的。望遠鏡與2018年升空。哈勃的工作頻率以可見光為主，延伸到近紅外和近紫外，而JWST則集中於紅外線波段，它用更大的鏡片聚光，見圖15-3a，以拍攝到太空遠處的照片，希望能比哈勃極深空再深入下去。韋伯望遠鏡比較特別的是它的軌道。它不是像哈勃那樣繞著地球轉圈，而是位於太陽-地球系統的「拉格朗日2」（L2）點上。

3）智利

ALMA望遠鏡：史上造價最昂貴

位於智利北部阿塔卡馬沙漠，能看清500公裡外的一枚硬幣。

「ALMA」的全稱是「阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣」，它的建設工程始於2002年，是一個以歐洲、北美和日本等國家為主的大型國際合作項目。

整個天線陣有總計66面高精度天線，其觀測在毫米/亞毫米波段，比可見光長了近千倍。天文學家由此能研究宇宙中最寒冷的天體——比如孕育恆星、行星的稠密的塵埃氣體雲，以及極早期宇宙中的天體以及探尋宇宙中是否存在能進化成生命的物質等。這是人類歷史上至今為止造價最昂貴的地基天文望遠鏡設備。

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