黑洞，可以拍照！？

一百多年前的爱因斯坦广义相对论预言，宇宙中可能存在黑洞，其体积无限小而密度无限大，强大的引力场引起时空扭曲，形成光也无法逃逸的“事件视界”面（有关“事件视界”，详见系列文章和相关论文）。天文学家相信黑洞确实存在，并认为几乎所有的星系中央都存在黑洞，在那里其“体重”可以成长到几百万或数十亿倍太阳质量。

尽管有理论和越来越多天文观测的佐证，但我们还从未直接见过黑洞。“事件视界”望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）是第一个专为获取黑洞影像的实验计划。它选取了我们银河系中央和室女系M87中央这两个“事件视界”半径最大的黑洞作为首要目标来验证爱因斯坦的广义相对论。EHT拍摄的不是黑洞本身的图像，而是这两个黑洞在光子捕获半径处（光子捕获半径稍大于“事件视界”半径）所呈现的光圈和内部“事件视界”及引力透镜下产生的阴影，以及快速旋转和相对论波束效应形成的看起来像月牙形状的图像。目前，拍摄黑洞图像的最佳波长是在EHT工作的1毫米波段，这个观测波段可以拍摄到靠近黑洞周围的区域而不受同步自吸收产生的遮挡。工作在1毫米波段，口径如地球直径大小的望远镜才可以用来拍摄黑洞的图像。而位于上海的65米天马射电望远镜则工作在长毫米波以上波段，在EHT观测期间也联合其他望远镜主要对黑洞外围大尺度结构如喷流等进行监视。

欲善其事，先利其器

天文望远镜的两个重要参数是灵敏度和分辨率，通俗一点讲就是“看得见”和“看得清”的本领，这两者都与望远镜的尺寸或者说口径正相关。提高两者水平的常规做法就是往大里做，比如我国的FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope） 500米射电望远镜和正在参与筹建的TMT（Thirty Meter Telescope）30米光学望远镜。但受到建设成本和制造工艺等方面的限制，单台望远镜的最大尺寸存在上限，往往观测频率越高，最大尺寸就越小。

此外也有独辟蹊径的方法，比如EHT采用的干涉测量技术。它可以将分布在不同地方相距很远的望远镜联合起来，组成一个口径相当于望远镜之间距离（天文专业术语叫做“基线”）而不单是单台望远镜口径的超大望远镜。其基本原理可以追溯到迈克尔逊干涉仪。简单地讲，频率相同、振动方向相同且相位差恒定（即满足干涉条件）的两束光（电磁波）交汇在一起就能够发生干涉。两束光经过不同的路程和介质（光程差）就会产生不同的干涉图样，从而可以根据干涉图样反演光源的特性。

天文学上典型的应用包括射电波段的干涉仪，它又细分为综合孔径和甚长基线干涉仪；而光学波段有著名的探测到引力波的激光干涉仪。射电波段和光学波段的干涉仪曾分别现身于1974年和2017年的诺贝尔物理学奖。本文讲述的黑洞“事件视界”望远镜是射电波段干涉仪中的一种甚长基线干涉仪（Very Long Baseline Interferometer， VLBI），也是目前世界上射电毫米波段观测频率最高、分辨本领最好的干涉仪。众所周知，观测频率越高，对望远镜的要求和建设难度就越高。因为角分辨率（即空间分辨率）可以用波长除以基线长度表示，频率越高波长越短，角分辨率也越高，此时远处很小的物体也能辨别出来。EHT的分辨本领强到什么程度？可以打个比方，月球上放一个乒乓球都可以看得很清楚。所以，即使距离我们很远的银河系中央的黑洞（8 kpc，合2.6万光年；光年是长度单位，指光走一年的距离）和室女系M87中央黑洞（16.8 Mpc，合5480万光年），也能看清楚它们黑洞周围“事件视界”尺度的形态，这也是“事件视界”望远镜名字的由来。

谈到天文观测就不得不提及大气窗口。我们知道，地球的大气是我们人类赖以生存的基础，比如大气保证了地球上氧气和水循环的存在，并阻挡了外界物质（大部分紫外线、太阳风和陨石等）的侵扰，但同时也阻挡了部分有用的电磁波到达地表，如图1所示。

图1  地球“大气窗口”