干涉測量法——黑洞觀測中的無線電技術_風聞

翻譯：田程偲

校對：牧夫天文校對組

編排：胡暖暖

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

原文鏈接：

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

當天文學家談論光學望遠鏡時總免不了提到鏡面的大小。由於光的衍射特性，望遠鏡的口徑越大，衍射產生的影響就越小，即分辨率越高。當光線透過孔洞時（比如望遠鏡開口），衍射特性使光線彎散開來。口徑越小，光散開的程度越嚴重，成像便越模糊。這就是為什麼相對於口徑小的望遠鏡，口徑較大的望遠鏡能夠捕獲更清晰的圖像的原因。

光的衍射不僅取決於望遠鏡的大小，還取決於觀察到的光的波長。假設口徑大小不變，波長越長，光的衍射越多。一般可見光的波長很短，長度不到一米的百萬分之一。然而無線電波的波長比可見光長一千倍。若想獲得與光學望遠鏡一樣清晰的圖像，則需要一架比光學望遠鏡大一千倍的射電望遠鏡。幸運的是，藉助一種稱為干涉測量（Interferometry）的技術，我們成功製造出了足夠龐大的射電望遠鏡。

位於偏遠貴州省平塘縣的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。FAST被譽為“中國天眼”，是目前世界上口徑最大、最精密的單口徑射電望遠鏡。圖片來源：FAST

想要製造高分辨率射電望遠鏡，並非是建造一個大型射電望遠鏡那麼簡單。若只是單純地增加尺寸，那將需要一個直徑至少大於10公里的龐大盤狀望遠鏡。即使世界上“盤徑”最大的FAST，其天線盤直徑也只有500米寬。事實上，科學家們認為用數十個或數百個小天線盤構建一個射電望遠鏡陣列將會是更明智的選擇。這有點像用數面小鏡子拼接成一整面大鏡子。光學望遠鏡也可進行此操作，雖然成像亮度較低，但是將足夠清晰。

但構建射電望遠鏡陣列並不像拼接鏡子那樣簡單。使用單個望遠鏡時，遠處物體發出的光線會通過望遠鏡被鏡子或透鏡聚焦到檢測器上。光在離開光源的同時會到達檢測器，也就是説我們得到的圖像是同步的。但若是一個望遠鏡陣列，每個天線盤都有自己的檢測器時，來自物體的光將比其他的更快到達某些天線盤。如果直接合並所有數據，則將造成數據混亂。這時，干涉測量技術便有了用武之地。

射電望遠鏡陣列中的每個天線盤都可以觀測到同一天體，並且觀測的同時都會各自精確地標記觀察時間。這樣將會產生數十或數百個數據流，且每個數據流都具有唯一的時間戳，科學家便能夠通過時間戳將所有數據恢復同步。舉個例子，如果我們知道了接收器B比接收器A晚了2微秒收到信號，那麼我們只需將信號B向前移2微秒便可以同步數據了。

位於ALMA天文台的“相關器”超級計算機。圖片來源：ALMA（ESO / NAOJ / NRAO）S.Argandoña。

然而同步數據的數學運算非常複雜。為了確保干涉測量可行，我們必須知道每對天線盤之間的時間差。例如美國新墨西哥州的甚大天線陣（VLA）有26個天線盤，即325對。而位於智利的亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）共有66個天線盤，也就是説有多達2145個時間差需要計算。

不僅如此，隨着地球旋轉，物體相對於天線盤的方向也發生了變化，這意味着信號之間的時間還會隨着觀測而改變。天文學家必須追蹤所有的信號才能將其關聯起來。ALMA天文台的“相關器”超級計算機便是專門為了完成這一系列繁重的計算工作而設計的。最終，數十個天線碟得以像單個望遠鏡那樣運作。

科學家們花費了數十年的時間來改進和完善干涉測量技術，從1980年VLA的啓用到2013年ALMA的首次亮相，干涉測量法為我們提供了非凡的高分辨率圖像。現在，射電干涉測量法已在射電天文學中廣泛運用，展現出它強大的力量。它可以將世界各地望遠鏡的信息結合起來，從而提供比單個望遠鏡更高分辨率的觀測結果。

望遠鏡的分辨率取決於它的直徑:盤子越大，視野就越清晰——要獲得超大質量黑洞的清晰圖像，需要一個行星大小的射電盤。射電天文學家對建造大盤子並不陌生，“但這似乎有點太野心勃勃了。”Loeb表示， “你不可能用一個觀測站覆蓋整個地球。”

2009年，世界各地的無線電觀測台同意共同開展一項雄心勃勃的項目：創建了一個像行星一樣大的虛擬望遠鏡——事件視界望遠鏡(EHT)。

為了實現在地球表面觀測所能達到的最高角分辨率，EHT採用了一項被稱為“甚長基線干涉測量”（VLBI）的技術——天文學家利用位於地球不同位置的射電望遠鏡同時對同一目標進行觀測，將採集到的數據分別記錄在硬盤上，之後再利用超級計算機整合這些數據，得到一張圖像。通過這項技術，分佈在地球上不同大洲的許多望遠鏡組成了一架虛擬的、地球尺寸的望遠鏡。而望遠鏡的分辨能力由觀測波長與望遠鏡尺寸的比值決定，所以VLBI通常可以在射電波段對天空進行高分辨率成像觀測，分辨能力遠超所有光學望遠鏡。

參與黑洞成像的望遠鏡陣列。來自全球多個國家30多個研究所的200多名科研人員，藉助分佈在世界多地的8個射電望遠鏡聯合觀測，共同參與了龐大的EHT項目。

圖片來源：國家地理中文網。

注：圖中ALMA翻譯有誤，應為阿塔卡馬大型毫米波陣列望遠鏡。

儘管組成EHT的望遠鏡沒有從物理上真正連接在一起，但它能夠將各觀測台記錄的數據與氫原子鐘同步，從而精確地計時其觀測結果。EHT的每台望遠鏡都會產生大量數據（平均每天350 TB），這些數據先被存儲在高性能充氦的硬盤中，隨後被傳送到Max Planck射電天文研究所和麻省理工學院Haystack觀測站的高度專業化的“相關器”超級計算機。最後再使用合作開發的新穎計算工具費力地將這些數據轉換為圖像。

干涉測量技術的突破與世界各國天文台的通力合作，使人類最終能夠進一步探索宇宙中最神秘莫測的客體——黑洞。

『天文時刻』 牧夫出品

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