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2019年4月10日，人類歷史上第一張真實(shí)的黑洞照片，在人們焦灼的等待與期盼中，橫空出世。伴隨這一盛況，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）和甚長(zhǎng)基線干涉陣（VLBI）兩個(gè)高冷的名詞，走出不食人間煙火的天文學(xué)，走進(jìn)了吃瓜群眾的日常生活里。

首張黑洞照片 | 圖源：EHT Collaboration

看到黑洞的關(guān)鍵首先在于必須擁有空前的空間分辨率。望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率與觀測(cè)波長(zhǎng)成正比，與口徑成反比。所以，提高分辨率的方法就有兩種：一種是增大望遠(yuǎn)鏡的口徑，另一種是縮短觀測(cè)波長(zhǎng)。

EHT連接了位于世界各地的八臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡和望遠(yuǎn)鏡陣列，模擬了一臺(tái)地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，才勉強(qiáng)看到黑洞的影子。然而，是否有求知欲旺盛的小伙伴想過，為什么不試著進(jìn)一步縮短波長(zhǎng)？望遠(yuǎn)鏡到底如何“看”到黑洞？之前怎么不建EHT？

今天，我們就來逐一滿足小伙伴們的好奇心。

EHT虛擬望遠(yuǎn)鏡及VLBI示意圖

綜合輻射機(jī)制和現(xiàn)有地面觀測(cè)條件的制約，EHT這次給M87星系黑洞拍照選擇了1.3毫米波段（對(duì)應(yīng)230GHz頻段，G:10⁹），并將開展0.85毫米波段（對(duì)應(yīng)350GHz頻段）的觀測(cè)。這兩個(gè)頻段同屬于太赫茲頻段。太赫茲頻段位于微波和紅外之間，包含部分毫米波、全部亞毫米波和部分遠(yuǎn)紅外波段，波長(zhǎng)范圍3毫米至30微米，頻率覆蓋0.1THz至10THz（T:10¹²）。

那么，為了進(jìn)一步提高空間分辨率，是否可以任性地?zé)o限縮短波長(zhǎng)，讓望遠(yuǎn)鏡的“眼神兒”越來越好呢？

呵呵，想多了！更高頻率（更短波長(zhǎng)）的太赫茲地面觀測(cè)應(yīng)用，受限于地球大氣層所含水汽對(duì)太赫茲高頻信號(hào)的強(qiáng)烈吸收。所以，不同觀測(cè)站址都有特定的頻率觀測(cè)窗口。這次拍攝黑洞照片的EHT望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址中，不是所有的都適合開展更高頻率的觀測(cè)。即使在智利海拔5000多米高原上的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA）臺(tái)址，最高可能觀測(cè)的頻率也僅為八九百個(gè)GHz。

而另一方面，給黑洞拍照的VLBI方法，由于要進(jìn)行相位相關(guān)的信號(hào)相干合成，當(dāng)頻率更高的時(shí)候，也會(huì)嚴(yán)重受到大氣湍流對(duì)太赫茲高頻信號(hào)的相位擾動(dòng)影響。

既然這樣，那咋不上天呢？問的好！今天，將要給大家介紹的超導(dǎo)SIS混頻器已有空間應(yīng)用的先例（如：Herschel空間天文臺(tái)），空間VLBI技術(shù)也會(huì)是未來發(fā)展的趨勢(shì)哦！

在關(guān)于EHT和VLBI的各種報(bào)道和介紹中，我們看到最多的，是擺著各種pose妖嬈豎立的天線。EHT通過VLBI技術(shù)把每臺(tái)天線接收到的來自黑洞周圍的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行相干合成。但是，要拍到黑洞的照片，除了需要如前所述空前的空間分辨率外，每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡還需要配備靈敏度極高的超導(dǎo)接收機(jī)。

阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)| 圖源:ALMA

下圖中穿著厚重銀色鎧甲的便是幕后英雄——“超導(dǎo)接收機(jī)”本尊了！

經(jīng)過漫長(zhǎng)的星際旅途，宇宙深處遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的太赫茲信號(hào)在到達(dá)地球時(shí)早已被衰減得極其微弱，需要非常靈敏的接收機(jī)去探測(cè)。超導(dǎo)接收機(jī)正是為此而生，它首先把信號(hào)從幾百個(gè)GHz 變頻到幾個(gè)GHz，再通過低噪聲放大器進(jìn)行放大，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

這次給黑洞拍照的所有望遠(yuǎn)鏡，全部搭載了超導(dǎo)接收機(jī)。超導(dǎo)接收機(jī)以其“火眼金睛”般的極高靈敏度，被稱為“接收機(jī)中的戰(zhàn)斗機(jī)”！

超導(dǎo)接收機(jī)實(shí)物外型 | 圖源：紫金山天文臺(tái)

超導(dǎo)接收機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，在它的所有組成部件中，毫無爭(zhēng)議的C位王是“超導(dǎo)混頻器”。EHT所有望遠(yuǎn)鏡的接收機(jī)上，加載的全部是同一種混頻器——超導(dǎo)隧道結(jié)（SIS）混頻器，它是當(dāng)前毫米波/亞毫米波天文觀測(cè)中最廣泛應(yīng)用的硬核器件。

EHT之所以在近些年才提出，重要原因之一便是：超導(dǎo)SIS混頻器技術(shù)的成熟發(fā)展，使得毫米波/亞毫米波段的望遠(yuǎn)鏡具備了更高靈敏度，特別是使得EHT中最重要的、全球迄今最大望遠(yuǎn)鏡陣列ALMA的建設(shè)成為了可能，進(jìn)而使毫米波/亞毫米波段的VLBI觀測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。

下面就來介紹一下這個(gè)絕對(duì)“高冷”的SIS。

超導(dǎo)SIS隧道結(jié)從剖面看，由上下兩個(gè)超導(dǎo)層(Superconductor)和中間一層厚度僅為幾納米的絕緣層(Insulator)構(gòu)成，是一個(gè)類似于三明治的三層薄膜結(jié)構(gòu)，所以也被稱為超導(dǎo)“三明治”。

超導(dǎo)SIS隧道結(jié)剖面照片 | 圖源：紫金山天文臺(tái)

在看臉的世界里，顏值也是重要的擔(dān)當(dāng)。在下面這張照片中我們可以看到，超導(dǎo)SIS隧道結(jié)像一雙炯炯有神的眼睛，深邃的凝視著茫茫宇宙。正是這一雙直徑僅約1微米的“眼睛”，讓我們看到了5500萬光年之外幾百億公里尺度的黑洞！宏觀與微觀的震撼對(duì)比，在這場(chǎng)“給黑洞拍照”的事件中，展現(xiàn)的酣暢淋漓。

超導(dǎo)SIS隧道結(jié)表面照片 | 圖源：紫金山天文臺(tái)

都說，黑夜給了我們黑色的眼睛，可我們，卻在“寒冷”中尋找黑洞……

超導(dǎo)SIS混頻器因其特殊的材料需求，必須在極低的溫度下才能運(yùn)作。這次給黑洞拍照的所有超導(dǎo)SIS混頻器，全都工作在4.2K液氦溫區(qū)（約零下269攝氏度）。

在這樣的極低溫環(huán)境下，超導(dǎo)體中的電子兩兩配對(duì)（即：庫(kù)伯對(duì)），形成宏觀量子態(tài)。當(dāng)來自觀測(cè)天體的太赫茲信號(hào)照射到超導(dǎo)隧道結(jié)上，庫(kù)伯對(duì)吸收能量超過其結(jié)合能的高頻光子后，會(huì)被拆散成“準(zhǔn)粒子”，并在外加偏壓作用下產(chǎn)生準(zhǔn)粒子“隧穿效應(yīng)”——“準(zhǔn)粒子”從SIS的一側(cè)超導(dǎo)層（S），穿過中間絕緣層（I），進(jìn)入另一側(cè)超導(dǎo)層（S），產(chǎn)生瞬間電流突變，從而表現(xiàn)出伏安特性的強(qiáng)非線性。

要使準(zhǔn)粒子具有聊齋故事中“嶗山道士”一般的“穿墻”法力，中間絕緣層的厚度必須很薄，僅為1~2納米。因此，超導(dǎo)三明治不是普通的三明治，不可以加料，不可以搞大！薄，才是硬道理！絕緣層厚度通常與超導(dǎo)材料中電子配對(duì)的相干長(zhǎng)度成比例。

不過，僅僅薄還不夠。要真正實(shí)現(xiàn)高靈敏度，絕緣層還必須非常均勻，不能有針孔（pin hole）。這是確保超導(dǎo)隧道結(jié)具有接近零的超低暗電流的關(guān)鍵。而“強(qiáng)非線性”和“低暗電流”共同決定了超導(dǎo)SIS隧道結(jié)的高靈敏度特征，即可探測(cè)極其微弱的電磁輻射信號(hào)。當(dāng)然，薄且均勻的高質(zhì)量絕緣層對(duì)制備工藝的要求也是極高的。

準(zhǔn)粒子隧穿效應(yīng)示意圖