作者：姬揚(yáng)
2019年4月10日，黑洞視界項(xiàng)目組（The Event Horizon Telescope Collaboration，EHT項(xiàng)目組，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目組）公布了第一張黑洞相片，轟動(dòng)了世界。
黑洞視界項(xiàng)目組不僅舉行了新聞發(fā)布會(huì)，還在《天文物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表了6篇文章，詳細(xì)介紹了他們的工作成果。我大致看了看這些文章，簡(jiǎn)單摘錄一些要點(diǎn)（不保證正確性啊）。
M87是巨大的橢圓星系，也是天空中最明亮的射電源之一，它的星系核是超大質(zhì)量黑洞（SMBH）。M87星系核到地球的距離是5500萬(wàn)光年，這次觀測(cè)的結(jié)果表明，其質(zhì)量大約是65億個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。【M87就是室女座A星系，也經(jīng)常稱為“M87星系”?！?/span>
這次的光學(xué)成像采用的是甚長(zhǎng)基線成像技術(shù)（very long baseline interferometry, VLBI），選用的波長(zhǎng)是1.3毫米的微波，接收器其實(shí)就是雷達(dá)，8個(gè)天文臺(tái)組成了等效孔徑相當(dāng)于地球直徑的大口徑雷達(dá)。所以，角分辨率大約1×10-10弧度?！疚挥谫F州的“天眼”FAST的孔徑是500米（每次測(cè)量的有效孔徑是300米），工作波長(zhǎng)是10厘米乃至更長(zhǎng)。】
這次得到的M87星系核黑洞的照片是個(gè)非對(duì)稱的亮環(huán)，直徑是42 ± 3 μas，也就是2×10-10弧度。圓環(huán)中間暗，因?yàn)槟抢锸呛诙?，光跑不出?lái)。圓環(huán)亮是因?yàn)楹诙锤浇奈e盤(pán)發(fā)光（等離子體繞著黑洞轉(zhuǎn)，因?yàn)殡姾勺鲎兯龠\(yùn)動(dòng)而發(fā)光，類似于同步輻射），還有引力透鏡效應(yīng)和光子環(huán)路什么的，我也搞不清楚。圓環(huán)不對(duì)稱是因?yàn)槎嗥绽招?yīng)，吸積盤(pán)發(fā)光部分的轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到了相對(duì)論速度。
成像原理【岳東曉：淺談 EHT 黑洞照片拍攝原理】。對(duì)兩個(gè)探測(cè)器之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)信號(hào)，進(jìn)行反傅里葉變換，就可以得到物體光強(qiáng)分布。但因?yàn)橹挥邪藗€(gè)探測(cè)器，只能覆蓋很少的空間頻率（這還多虧了地球在轉(zhuǎn)動(dòng)），所以這并不是一個(gè)完全確定的問(wèn)題，需要做一些假設(shè)。
微波的波長(zhǎng)1.3mm，頻率在230GHz附近。真實(shí)檢測(cè)的信號(hào)位于中心頻率在227GHz和229GHz的兩個(gè)2GHz帶寬的頻段里。先用一個(gè)221GHz的本地振子，通過(guò)混頻器將信號(hào)轉(zhuǎn)移到5-9GHz，然后在用另外的本地振子將它們分別轉(zhuǎn)換到0-2GHz，用高速ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再實(shí)時(shí)地保存下來(lái)。
短波測(cè)量的困難包括：射頻接收電路里的噪音增大，大氣更不透明，大氣湍流導(dǎo)致的相位抖動(dòng)，射頻望遠(yuǎn)鏡在毫米波和亞毫米波波段處的效率和尺寸都減小了。
為了做關(guān)聯(lián)測(cè)量，所有的數(shù)據(jù)都打有時(shí)間戳，由GPS提供一部分定時(shí)服務(wù)（大約10ns精度），而且每個(gè)站都配備了氫原子鐘，最終實(shí)現(xiàn)了大約10分鐘的相干時(shí)間（可以認(rèn)為，十分鐘內(nèi)，任何兩個(gè)站的時(shí)鐘都是精確對(duì)準(zhǔn)的）。每次測(cè)量M87星系核3-7分鐘，然后再對(duì)準(zhǔn)星體3C 279測(cè)量2-3分鐘（用于校準(zhǔn)）。
每個(gè)觀測(cè)站保存數(shù)據(jù)的壓力是很大的。實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳送速率是每秒鐘32Gb，其組成如下：每個(gè)信號(hào)有兩種偏振，每個(gè)偏振有兩組2GHz帶寬的數(shù)據(jù)，而且采樣定理要求每個(gè)周期至少采兩個(gè)數(shù)，最后，每個(gè)數(shù)據(jù)有2bit的深度。對(duì)于每個(gè)觀測(cè)站，為了維持6天測(cè)量，總數(shù)據(jù)量大約是1PB（也就是100萬(wàn)GB），中心站可以達(dá)到2PB。
數(shù)據(jù)分為兩組，分別運(yùn)到美國(guó)和德國(guó)，并采用兩種不同的方法來(lái)處理。四個(gè)小組得到的結(jié)果是類似的，最后公布的照片是某種平均的結(jié)果。
從某種意義上來(lái)說(shuō)，甚長(zhǎng)基線干涉法（VLBI）和引力波激光干涉法（LIGO）是研究廣義相對(duì)論的互補(bǔ)方法，而且兩者都在繼續(xù)努力提高探測(cè)靈敏度。LIGO探測(cè)的是瞬態(tài)的引力波事件，測(cè)量的是一次性事件，趕上哪次算哪次；VLBI探測(cè)的是穩(wěn)態(tài)的黑洞射電源，今后可以得到更加清晰的圖片。
最后是花絮。
這個(gè)項(xiàng)目證實(shí)了，通訊帶寬最大的數(shù)據(jù)傳輸方式是：用飛機(jī)運(yùn)送裝滿數(shù)據(jù)的硬盤(pán)。
這個(gè)項(xiàng)目還反映了當(dāng)前科學(xué)界的做事方法：1，召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)來(lái)宣布成果；2，采用開(kāi)放獲?。╫pen access）的方式發(fā)表文章；3，每個(gè)作者都采用身份識(shí)別碼（ORCID）。
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