干涉测量法——黑洞观测中的无线电技术_风闻

翻译：田程偲

校对：牧夫天文校对组

编排：胡暖暖

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接：

https://www.universetoday.com/145065/how-interferometry-works-and-why-its-so-powerful-for-astronomy/

当天文学家谈论光学望远镜时总免不了提到镜面的大小。由于光的衍射特性，望远镜的口径越大，衍射产生的影响就越小，即分辨率越高。当光线透过孔洞时（比如望远镜开口），衍射特性使光线弯散开来。口径越小，光散开的程度越严重，成像便越模糊。这就是为什么相对于口径小的望远镜，口径较大的望远镜能够捕获更清晰的图像的原因。

光的衍射不仅取决于望远镜的大小，还取决于观察到的光的波长。假设口径大小不变，波长越长，光的衍射越多。一般可见光的波长很短，长度不到一米的百万分之一。然而无线电波的波长比可见光长一千倍。若想获得与光学望远镜一样清晰的图像，则需要一架比光学望远镜大一千倍的射电望远镜。幸运的是，借助一种称为干涉测量（Interferometry）的技术，我们成功制造出了足够庞大的射电望远镜。

位于偏远贵州省平塘县的500米口径球面射电望远镜（FAST）。FAST被誉为“中国天眼”，是目前世界上口径最大、最精密的单口径射电望远镜。图片来源：FAST

想要制造高分辨率射电望远镜，并非是建造一个大型射电望远镜那么简单。若只是单纯地增加尺寸，那将需要一个直径至少大于10公里的庞大盘状望远镜。即使世界上“盘径”最大的FAST，其天线盘直径也只有500米宽。事实上，科学家们认为用数十个或数百个小天线盘构建一个射电望远镜阵列将会是更明智的选择。这有点像用数面小镜子拼接成一整面大镜子。光学望远镜也可进行此操作，虽然成像亮度较低，但是将足够清晰。

但构建射电望远镜阵列并不像拼接镜子那样简单。使用单个望远镜时，远处物体发出的光线会通过望远镜被镜子或透镜聚焦到检测器上。光在离开光源的同时会到达检测器，也就是说我们得到的图像是同步的。但若是一个望远镜阵列，每个天线盘都有自己的检测器时，来自物体的光将比其他的更快到达某些天线盘。如果直接合并所有数据，则将造成数据混乱。这时，干涉测量技术便有了用武之地。

射电望远镜阵列中的每个天线盘都可以观测到同一天体，并且观测的同时都会各自精确地标记观察时间。这样将会产生数十或数百个数据流，且每个数据流都具有唯一的时间戳，科学家便能够通过时间戳将所有数据恢复同步。举个例子，如果我们知道了接收器B比接收器A晚了2微秒收到信号，那么我们只需将信号B向前移2微秒便可以同步数据了。

位于ALMA天文台的“相关器”超级计算机。图片来源：ALMA（ESO / NAOJ / NRAO）S.Argandoña。

然而同步数据的数学运算非常复杂。为了确保干涉测量可行，我们必须知道每对天线盘之间的时间差。例如美国新墨西哥州的甚大天线阵（VLA）有26个天线盘，即325对。而位于智利的亚毫米波阵列望远镜（ALMA）共有66个天线盘，也就是说有多达2145个时间差需要计算。

不仅如此，随着地球旋转，物体相对于天线盘的方向也发生了变化，这意味着信号之间的时间还会随着观测而改变。天文学家必须追踪所有的信号才能将其关联起来。ALMA天文台的“相关器”超级计算机便是专门为了完成这一系列繁重的计算工作而设计的。最终，数十个天线碟得以像单个望远镜那样运作。

科学家们花费了数十年的时间来改进和完善干涉测量技术，从1980年VLA的启用到2013年ALMA的首次亮相，干涉测量法为我们提供了非凡的高分辨率图像。现在，射电干涉测量法已在射电天文学中广泛运用，展现出它强大的力量。它可以将世界各地望远镜的信息结合起来，从而提供比单个望远镜更高分辨率的观测结果。

望远镜的分辨率取决于它的直径:盘子越大，视野就越清晰——要获得超大质量黑洞的清晰图像，需要一个行星大小的射电盘。射电天文学家对建造大盘子并不陌生，“但这似乎有点太野心勃勃了。”Loeb表示， “你不可能用一个观测站覆盖整个地球。”

2009年，世界各地的无线电观测台同意共同开展一项雄心勃勃的项目：创建了一个像行星一样大的虚拟望远镜——事件视界望远镜(EHT)。

为了实现在地球表面观测所能达到的最高角分辨率，EHT采用了一项被称为“甚长基线干涉测量”（VLBI）的技术——天文学家利用位于地球不同位置的射电望远镜同时对同一目标进行观测，将采集到的数据分别记录在硬盘上，之后再利用超级计算机整合这些数据，得到一张图像。通过这项技术，分布在地球上不同大洲的许多望远镜组成了一架虚拟的、地球尺寸的望远镜。而望远镜的分辨能力由观测波长与望远镜尺寸的比值决定，所以VLBI通常可以在射电波段对天空进行高分辨率成像观测，分辨能力远超所有光学望远镜。

参与黑洞成像的望远镜阵列。来自全球多个国家30多个研究所的200多名科研人员，借助分布在世界多地的8个射电望远镜联合观测，共同参与了庞大的EHT项目。

图片来源：国家地理中文网。

注：图中ALMA翻译有误，应为阿塔卡马大型毫米波阵列望远镜。

尽管组成EHT的望远镜没有从物理上真正连接在一起，但它能够将各观测台记录的数据与氢原子钟同步，从而精确地计时其观测结果。EHT的每台望远镜都会产生大量数据（平均每天350 TB），这些数据先被存储在高性能充氦的硬盘中，随后被传送到Max Planck射电天文研究所和麻省理工学院Haystack观测站的高度专业化的“相关器”超级计算机。最后再使用合作开发的新颖计算工具费力地将这些数据转换为图像。

干涉测量技术的突破与世界各国天文台的通力合作，使人类最终能够进一步探索宇宙中最神秘莫测的客体——黑洞。

『天文时刻』 牧夫出品

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