摘要：事件视界望远镜（EHT）是由八台地面射电望远镜组成的阵列，通过国际合作研发而成，旨在捕捉黑洞的图像。事件视界望远镜（EHT）是由八台地面射电望远镜组成的阵列，通过国际合作研发而成，旨在捕捉黑洞的图像。

事件视界望远镜（EHT）是由八台地面射电望远镜组成的阵列，通过国际合作研发而成，旨在捕捉黑洞的图像。在全球新闻发布会上，EHT研究人员揭示了他们的成功，揭示了梅西耶87中心的超大质量黑洞及其阴影的第一个直接视觉证据。

黑洞图片 提供者：EHT 版权所有：EHT

事件视界望远镜（EHT）是由八台地面射电望远镜组成的阵列，通过国际合作研发而成，旨在捕捉黑洞的图像。在全球新闻发布会上，EHT研究人员揭示了他们的成功，揭示了梅西耶87中心的超大质量黑洞及其阴影的第一个直接视觉证据。

一个由200多名天文学家组成的国际团队，包括来自麻省理工学院干草堆天文台的科学家，已经捕捉到了黑洞的第一张直接图像。他们通过协调四大洲八个主要无线电观测站的力量，组成一个虚拟的地球大小的望远镜，共同完成了这一非凡的壮举。

在发表在《天体物理杂志快报》专刊上的一系列论文中，研究小组展示了距离地球5500万光年的室女座星系团（virgo galaxy cluster）内梅西耶87（Messier 87）中心的超大质量黑洞的四幅图像。

所有四张图片都显示了一个中心黑暗区域，周围环绕着一圈看起来不平衡的光——一边比另一边亮。

爱因斯坦在他的广义相对论中，预言了黑洞的存在，以空间中无限稠密、致密的区域的形式存在，在那里引力是如此的极端以至于任何东西，甚至光，都无法从内部逃脱。根据定义，黑洞是不可见的。但是，如果黑洞被等离子体等发光材料包围，爱因斯坦的方程式预测，其中一些物质应该产生一个“阴影”，或者黑洞及其边界的轮廓，也就是黑洞的视界。

根据M87的新图像，科学家们认为他们第一次看到的是黑洞的阴影，其形式是每个图像中心的黑暗区域。

相对论预测，巨大的引力场将导致光围绕黑洞弯曲，在黑洞的轮廓周围形成一个明亮的环，并且也将导致周围的物质以接近光速的速度围绕物体运行。新图像中明亮的不平衡环提供了这些效果的视觉确认：朝向有利位置旋转的材料看起来比另一面更亮。

根据这些图片，研究小组的理论家和建模者已经确定黑洞的质量大约是太阳的65亿倍。这四幅图像之间的细微差别表明，物质正以闪电般的速度在黑洞周围快速移动。

“这个黑洞比海王星的轨道大得多，而且海王星绕太阳运行需要200年，”海斯塔克天文台的研究科学家杰弗里·克鲁说。由于M87黑洞的质量如此之大，一个绕轨道运行的行星将在一周内绕着它运行，并以接近光速的速度运行。”

海斯塔克天文台的研究科学家文森特·费什说：“人们往往认为天空是静止的，天空中的事物不会改变，或者如果它们改变了，那么时间尺度比人类的一生还要长。”但是我们发现M87的细节非常细微，物体在时间尺度上会发生变化。将来，我们也许可以制作这些来源的电影。今天我们看到了开始的画面。”

麻省理工学院负责研究的副总裁、地球、大气和行星科学系地球物理学E.A.Griswold教授Maria Zuber说：“M87黑洞的这些引人注目的新图像再次证明了爱因斯坦是正确的。”这一发现是由干草堆工程师数字系统的进步所推动的。”

“大自然是善良的”

这些图片是由事件地平线望远镜（简称EHT）拍摄的，它是一个尺度阵列，由八个射电望远镜组成，每个望远镜都处于一个遥远的高海拔环境中，包括夏威夷的山顶、西班牙的内华达山脉、智利沙漠和南极冰原。

在任何一天，每个望远镜都独立工作，观察发射微弱无线电波的天体物理物体。然而，黑洞比天空中的任何其他放射源都要小得多，也要暗得多。为了清楚地看到它，天文学家需要使用非常短的波长——在这种情况下是1.3毫米——来穿透黑洞和地球之间的物质云。

拍摄黑洞的照片还需要放大，或者说“角度分辨率”，相当于在纽约的一家路边咖啡馆里通过电话阅读文本。望远镜的角分辨率随接收盘的大小而增大。然而，即使是地球上最大的射电望远镜也远不足以看到黑洞。

但是，当多个相距甚远的射电望远镜同步并聚焦在天空中的一个光源上时，它们可以像一个非常大的射电碟一样，通过一种称为甚长基线干涉测量（VLBI）的技术来工作。因此，它们的组合角分辨率可以大大提高。

对于EHT来说，八个参与的望远镜总结成一个和地球一样大的虚拟无线电天线，能够将物体分解到20微弧秒，比20/20的视力锐度高出300万倍。根据爱因斯坦的方程式，这是一个很好的巧合，那就是观测黑洞所需的精度。

“大自然对我们很好，通过使用最先进的设备和技术，给了我们足够大的东西来观察，”EHT相关工作组和ALMA天文台VLBI小组的共同负责人Crew说。

“数据空缺”

2017年4月5日，EHT开始观测M87。在查阅了大量的天气预报之后，天文学家们确定了四个夜晚为所有八个天文台提供清晰的条件——这是一个难得的机会，在这期间，他们可以作为一个整体来观察黑洞。

在射电天文学中，望远镜探测无线电波，其频率将入射光子登记为波，其振幅和相位以电压测量。当他们观察到M87时，每个望远镜都以电压的形式接收数据流，用数字表示。

“我们正在记录大量的数据——每个站点的数兆字节，”机组人员说。

总的来说，每台望远镜接收的数据大约为1千兆字节，相当于100万千兆字节。每一个观测站都记录了大量涌入的数据，这些数据记录到了几个Mark6装置上——最初是在干草堆天文台开发的超快数据记录器。

在观测结束后，每个观测站的研究人员打包好一堆硬盘，通过联邦快递将它们送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学研究所。（空中传输比电子传输快得多。）在两个地点，数据被回放到一个高度专业化的超级计算机，称为相关器，它一次处理两个数据流。

由于每个望远镜在EHT的虚拟无线电天线盘上占有不同的位置，所以它对感兴趣的物体有着略微不同的视角——在本例中是M87。两个独立望远镜接收到的数据可以编码黑洞的类似信号，但也包含特定于各自望远镜的噪声。

相关器将来自八台EHT望远镜的每一对数据进行排列。通过这些比较，它在数学上消除了噪声，并提取了黑洞的信号。每台望远镜安装一个高精度原子钟，用以标记输入的数据，使分析者能够在事后匹配数据流。

“准确地排列数据流，并解释各种对时间的微妙干扰是Haystack的专长之一，”Haystack董事兼EHT指导委员会副主席科林·隆斯代尔（Colin Lonsdale）表示。

随后，Haystack和Max Planck的团队开始了一个艰苦的过程，即“关联”数据，在不同的望远镜上识别出一系列问题，修复它们，并重新运行关联，直到数据得到严格的验证。直到那时，数据才发布给世界各地的四个独立团队，每个团队都要使用独立的技术从数据中生成一个图像。

“这是6月的第二个星期，我记得在数据发布前一天晚上我没有睡觉，以确保我做好了准备，”Kazunori Akiyama说，他是EHT成像小组的联席组长，也是干草堆的一名博士后。

所有四个成像小组之前都在其他天体物理物体上测试了他们的算法，确保他们的技术能够产生无线电数据的精确视觉表示。文件发布后，Akiyama和他的同事立即通过各自的算法运行数据。重要的是，每个团队这样做是独立于其他团队的，以避免在结果中出现任何群体偏见。

秋山回忆道：“我们小组制作的第一张照片有点凌乱，但我们看到了这种环状的辐射，我当时非常兴奋。”但与此同时，我担心也许我是唯一一个得到黑洞图像的人。”

他的担心是短暂的。不久之后，这四个小组在哈佛大学的黑洞计划中会面，比较图像，发现他们都产生了同样的、不平衡的、环形的结构——黑洞的第一个直接图像，这让他们松了一口气，并得到了热烈的欢呼和喝彩。

克鲁斯说：“有很多方法可以在天文学上找到黑洞的特征，但这是第一次有人拍到黑洞的照片。”这是一个转折点。”

“新时代”

eht的想法是在2000年代初由Sheperd Doeleman提出的，他在Haystack天文台领导了一个开创性的VLBI项目，现在作为哈佛-史密森天体物理中心的天文学家指导eht项目。当时，干草堆工程师正在开发数字后端、记录器和相关器，它们可以处理一系列不同望远镜将接收到的巨大数据流。

“黑洞成像的概念已经存在几十年了，”朗斯代尔说。但是，正是现代数字系统的发展，让人们把射电天文学看作是一种真正做到这一点的方法。越来越多的山顶望远镜正在建造中，人们逐渐意识到，嘿，[成像一个黑洞]并不是绝对疯狂的。”

2007年，Doeleman的团队将eht概念进行了测试，在三个广为分散的射电望远镜上安装了Haystack的录音机，并将它们一起瞄准了人马座A*，也就是我们银河系中心的黑洞。

“我们没有足够的资源来塑造形象，”EHT科学行动工作组的共同负责人菲什回忆道。但是我们可以看到那里有一些大小合适的东西。”

今天，eht已经发展成11个天文台的阵列：alma、apex、格陵兰望远镜、iram 30米望远镜、iram noema天文台、kitt peak望远镜、james creck maxwell望远镜、大毫米望远镜alfonso serrano、亚毫米阵列、亚毫米望远镜和南极望远镜。

协调观测和分析工作涉及到来自世界各地的200多名科学家，他们与13个主要机构，包括海斯塔克天文台，组成了EHT合作。关键资金由国家科学基金会、欧洲研究理事会和东亚的资助机构提供，其中包括日本促进科学协会。促成这一结果的望远镜有阿尔玛望远镜、阿佩克斯望远镜、IRAM 30米望远镜、詹姆斯-克拉克麦克斯韦望远镜、大毫米望远镜、阿尔方索-塞拉诺望远镜、亚毫米阵列望远镜、亚毫米望远镜和南极望远镜。

更多的天文台计划加入EHT阵列，以锐化M87的图像，并试图透过位于地球和我们银河系中心之间的致密物质看到人马座A*的心脏。

Akiyama说：“我们已经证明，eht是一个观测站，可以在视界尺度上观测到黑洞。”这是黑洞天体物理学新时代的曙光。”

EHT团队包括John Barrett、Roger Cappallo、Joseph Crowley、Mark Derome、Kevin Dudevoir、Michael Hecht、Lynn Matthews、Kotaro Moriyama、Michael Porier、Alan Rogers、Chester Ruszczyk、Jason Sohoo、Don Sousa、Michael Titus和Alan Whitney。其他贡献者包括麻省理工学院的校友丹尼尔·帕伦博、凯蒂·布曼、林迪·布莱克本以及麻省理工学院电气工程和计算机科学系的教授比尔·弗里曼。

2019/03/22

文章来源：《Science Daily》，科学日报，2019年4月10日。翻译：by BCDBY 任老师