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赏金总量：50 USD
研究种类：Space Exploration, Black Hole, Telescope
原文作者: Ayman Miazi
创作者：wonder@DAOrayaki.org
审核者：Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org
原文: Want to Picture a Black Hole? First You Need an Earth-Sized Telescope
如果你关注太空新闻，那么你一定看过上图这张银河系中心超大质量黑洞的照片。这是继 2019 超大质量黑洞 Messier 87*（M87*）的照片之后，由事件视界望远镜（EHT）合作组织发布的第二张黑洞图像。
这个巨大的黑洞被称为人马座A*（Sgr A*），它的质量是太阳的 400 万倍。尽管这听上去像是天文数字，但在 Messier 87* 面前也只是尘埃一粟， Messier 87* 的质量是人马座A*的 1,000 多倍，质量是太阳的 65 亿多倍。但是人马座A*的最新照片之所以如此特别，是因为它是我们银河系中的黑洞。
这些照片真的很棒，但大家有没有想过它们是如何拍摄的呢？本文的目的，就是希望大家对这些照片的拍摄过程有更深入的了解，更加欣赏它们的美感。
难点在于哪里？
直到 2019 年，我们才第一次看到了黑洞的照片。爱因斯坦早在一个世纪之前就通过广义相对论预测了它们的存在；而且距离科学家发现第一个黑洞也已经超过 50 年。那么，为什么要花这么长时间才能拍摄到黑洞的照片？是什么让拍摄黑洞的照片如此困难？
答案就是空间的广袤性。虽然，人马座A*的质量是太阳的 400 万倍，加上它的吸积盘（橙色光环），它的大小几乎相当于水星绕太阳的轨道？但空间就是这么大。人马座A*到地球的距离为 2.4×10¹⁷ 公里。换句话说，这个黑洞距离地球有 25,640 光年，也就是说，光从那里到我们的星球需要 25,640 年。
尽管黑洞很大，但对我们来说，它几乎是看不见的。就像是试图在月球表面看到一个甜甜圈一样，拍摄的困难程度可想而知。
另一个问题是望远镜的灵敏度。人马座A* 作为光，输出的总功率是 2 x 10²⁸ W。但 EHT 所有的望远镜能接收的无线电频谱部分，全部加起来也只能达到 1.6 x 10^-16 W。简单来说，需要等待 2.5 亿年才能捕捉到足够的能量，为 1W 的灯泡供电一秒钟。
一个地球大小的望远镜
为了清楚地看到黑洞，你需要一个高角分辨率的望远镜，也就是说，区分不同物体的角度必须非常小。它可以由公式（2.15 x 10⁵ x λ）/d 确定，其中 λ 是入射光的波长，d 是望远镜的直径。这意味着望远镜越大、光频率越高，角分辨率就越大。
这是天文学家想要建造越来越大的望远镜的主要原因之一，因为分辨率的提高将使其更容易探测到天文物体。哈勃太空望远镜直径 2.4 米，其在可见光下的角分辨率达到 0.04 角秒（九万分之一度），这比人眼能看到的大约 40 角秒（九十分之一度）要大得多。
由于人马座A*到我们的距离太远，它在太空中的分辨率大约是0.053角秒。这个数字比哈勃的分辨率还要大，那么为什么我们不能使用它呢？因为哈勃望远镜探测的是波长在几百纳米左右的可见光光谱，所用的射电望远镜探测的是1.3毫米左右的波长，因此它的波长足以穿过黑洞和地球之间的物质。1.3 毫米等于 130 万纳米，因此要捕捉同等分辨率或更高的图像，我们需要大得多的望远镜。
问题是，地球上没有足够大的望远镜来达到所需的角分辨率。因此，EHT 在世界各地设有望远镜阵列，同时聚焦于天空中的一个点。通过这种被称为甚长基线干涉测量（VLBI）的技术，这个望远镜阵列有效地作为一个虚拟的地球大小的望远镜运行，其角度分辨率为 0.02 角秒，足以探测到人马座A* 和梅西耶87*，尽管它比太阳大一千多倍，但只需 0.022 角秒。如果没有这种惊人的分辨率，黑洞看起来就像两个光点，事件视界和吸积盘之间的就没有任何区别。
数据会发生什么变化？
2017年4月5日，所有望远镜开始观测梅西耶87，每台望远镜都接收了大约1PB的数据（即每台100万千兆字节）。由于数据量很大，他们将数据运输到马萨诸塞州的海斯塔克天文台和德国的马克斯·普朗克射电天文研究所，因为这比用电子方式传输要快。
一台称为相关器的超级计算机被用来证实来自八台望远镜中每一对可能的数据，以消除噪音并接收黑洞的信号。两个天文台的科学家煞费苦心地寻找数据中的问题，将其修复，然后再次通过相关器运行，直到一切都能得到严格的验证。
制作图像
由于望远镜仅定位在少数几个位置，原始数据中仍有大块的缺失。为此，我们需要先进的算法来填补空白，仅靠稀少的数据来重建最自然的黑洞图像。
因为我们没有所有的数据，所以对于真实图像的样子总会有一些模糊不清的地方。有无数种可能的图像符合数据。但是我们从诸如模拟之类的东西中知道的是我们认为黑洞应该是什么样子。利用我们认为它们应该呈现的样子，科学家们可以有效地将算法中的图像按它们看起来的合理程度进行排序。然后，可以对最合理的图像集进行平均化，以创建我们今天看到的黑洞图像。
然后将经过验证的数据分发给世界各地的四个小组，让他们使用独立的技术来生成黑洞的图像。所有这些技术都事先经过了严格的测试，以确保它们能够准确地解释数据。
为什么花了这么长时间？
这两个黑洞的数据都是在 2017 年记录的，但梅西耶 87* 的图像是在 2019 年发布的，而直到最近的 2022 年，我们才看到人马座 A*。那么为什么花了这么长时间呢？这是因为它的变化速度实在是太快了。
梅西耶87*是如此巨大，物质围绕它运行需要几个小时，但考虑到它的半径比太阳系还大，这是很惊人的速度。人马座A*更甚，物质轨道绕行只有几分钟。因此，虽然你观察梅西耶 87* 一段时间看不到太多变化，但人马座 A* 的变化却要明显得多。正是因为这些原因，我们花了五年时间才从数据中提取出清晰的图像。
EHT 的未来是什么？
仍有一些方法可以改进 EHT，以获得更清晰的图像。首先，越来越多的天文台加入了合作。更多的望远镜将使 EHT 更加灵敏，可以探测到更暗的光线。增加更多的望远镜也会提高图像的分辨率，但要看到更大的改进，我们需要的不是地球上的望远镜，而是太空甚至月球上的望远镜。正如我之前所说，望远镜之间的距离越大，分辨率就越高。
一个 10 米宽的射电太空望远镜的计划正在推进中，该望远镜将被安置在距离地球 150 万公里的 L2 拉格朗日点——也就是詹姆斯·韦伯太空望远镜所在的区域。此时，来自太阳和地球的引力将把望远镜固定在适当的位置。由于望远镜之间的距离大幅增加，EHT 的分辨率将提高 150 倍。
EHT 还可以调整其望远镜以观察一系列不同的波长。较短的波长应该会产生更清晰的图像，科学家们还可以比较不同的亮度，以了解更多关于黑洞的物理过程。
EHT 目前正在再次观测天空，希望我们能看到更多他们的劳动成果。
结论
在对我们宇宙中一些最神秘的物体进行成像时，仍有很多东西值得期待。随着所有的工作深入 EHT，我们应该会看到更清晰的图像，甚至可能在不久的将来，我们会看到黑洞的第一部电影。我希望通过本文，你对黑洞的成像方式有了新的认识，并且现在对拍摄这些模糊的黑色和橙色图像的所有工作有了更深的体会。
资料来源：
Amos, J, “Black hole: First picture of Milky Way monster”, BBC, 13 May 2022
EHT Collaboration, “Science”, EHT Collaboration
EHT Collaboration, “Technology”, EHT Collaboration
Weule G, Smith B, “We’ve seen the black hole called Sagittarius A* at the middle of the Milky Way. Now what?”, ABC News, 13 May 2022
Chu J, “Working together as a “virtual telescope,” observatories around the world produce first direct images of a black hole” MIT News, 10 Apr 2019
Fletcher S, “The First Picture of the Black Hole at the Milky Way’s Heart Has Been Revealed”, Scientific American, 12 May 2022
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