多大的望远镜才能观察黑洞？

　　科学家们最近获得了我们银河系中心黑洞（人马座 A*）的第一张图像。他们是如何做到的呢？真的有像我们星球那么大的望远镜吗？是否有可能从地球上看到月球上的火柴盒？
　　橙色展示了射手座 A* 的第一张图像中涉及的望远镜。蓝色——后来进入网络的望远镜
　　前几天，科学界传出消息：科学家们第一次 收到了银河系中心黑洞的图像。这个黑洞位于一个名为人马座 A* 的物体的中心。人马座 A* 由黑洞本身和落入其中的物质云组成。这种物质会发射出无线电波。人马座 A* 的新图像首次如此详细，以至于您可以在其上看到实际的黑洞。天文学家几十年来一直在等待这个结果。
　　该成就属于同一个团队，该团队在 2019 年发布了M87 星系中心黑洞的耸人听闻的图像。科学家们再次使用了一个由分布在西班牙到智利和南极洲的八台射电望远镜组成的网络。这个网络就像一个望远镜，大小与地球相当。这个巨大的仪器被称为事件视界望远镜（EHT）。它几乎能够看到黑洞的视界（它的条件＂表面＂），因此得名。几乎 - 因为实际上有一个稍宽的区域，即所谓的阴影（可以说，黑洞从该区域移除光子的区域）。
　　宏伟的仪器接收到分辨率为 20 微秒弧度的图像。具有这种分辨率的光学望远镜可以从地球上分辨出月球上的火柴盒，而不是像宇航员的靴印。可惜没有这样的光学望远镜。
　　但是有这样的射电望远镜（甚至更锐利的）。诚然，他们研究的不是月球上宇航员的踪迹，而是黑洞、遥远的星系和自然空间激光（更准确地说是微波激射器）。但是，你看，这同样有趣。
　　带来如此惊人结果的系统称为干涉仪。让我们看看它们是如何工作的。
　　EHT 网络成像的两个黑洞的大小比较。左侧是位于 M87 星系中心的 M87*。右边是银河系中心的射手座 A* (Sqr A*)。好奇心的许可
　　看着夜空。你能看到多暗的星星？现在看看月亮。你看到了多么精细的细节？因此，您熟悉了天文仪器的两个主要特性：灵敏度和分辨率。第一个是关于从背景中突出弱物体的能力。第二个是关于看到明亮物体细节的能力。很明显，天文学家对＂没有面包也有可能＂感兴趣，但在本文中，我们将讨论分辨率。
　　它是如何测量的？当我们看远处的物体时，我们的眼睛在三角形的顶部，三角形的底部就是这个物体。下图说明了这一点（规模被特别残酷地扭曲了）。
　　说明角分辨率性质的方案
　　很明显，物体越小，离我们越远，我们看到它的角度δ就越小。分辨率或 角度分辨率 是物体仍然可见的最小角度。
　　人眼的角分辨率约为一角分。这意味着一个拥有完美视力的人可以从一公里的距离看到一个 30 厘米大小的物体。
　　请注意，为了提高分辨率，最小角度 δ 必须 减小 ，而不是增大。它越小，我们区分的细节就越微妙。如果这个角度小十倍，我们就会在一公里外看到一枚硬币。
　　什么决定了射电望远镜的分辨率？答案是通过一个简单的近似公式给出的（希望它不会使本文的读者人数减半，这是出版商传统上用来吓唬普及者的方法）。设λ为无线电波长，D为天线直径。那么分辨率 δ（以弧度为单位）为：
　　δ   λ / D
　　这意味着减小角度 δ 从而提高分辨率的最简单方法是扩大望远镜。射电天文学家可以自由支配，将整个宇宙变成天线，之后他们就没有什么可观察的了。然而，现实是残酷的：太大的结构在技术上是不可行的。最大的运行射电望远镜是中国的 500 米 FAST，但它并没有使用它的整个区域。
　　这个巨人提供什么分辨率？很容易计算，对于它的最小波长为 10 厘米，分辨率是……在弧分的数量级上。半公里的巨人，工程的奇迹，分辨细节不亚于肉眼！
　　当然，这是一个狡猾的比较。光学天文学与射电天文学相得益彰，但不能互相替代。之所以如此，是因为并非所有宇宙射电源都发光，反之亦然。而且由于眼睛根本感觉不到无线电发射，所以它没有必要在诚实的天线前抬起鼻子（虽然等一下，眼睛的鼻子在哪里？）。而且一般来说，如果十厘米的无线电波比光波长几十万倍怎么办？
　　然而，科学家们热衷于为此做点什么。因此，在射电天文学诞生之初，他们就想出了干涉仪望远镜。 这个怎么运作
　　最简单的干涉仪由两个作为一个工作的天线组成：来自它们的信号被相加或（更经常地）相乘。它们可以是有线的，或者只是用准确的时间戳记录，这样就可以在事后进行信号倍增。
　　它有什么好？事实是，干涉仪的角分辨率也是用上面的公式来描述的，只有里面的 D 才需要了解天线之间的距离。连接天线的部分称为 干涉仪的底座 ；很明显，它们之间的距离就是底座的长度。除了长度之外，底座在空间中的方向也很重要。
　　发生什么了？让我们将两台望远镜隔开一千公里——我们得到的分辨率，就像一个奇妙的、不可能的千公里天线？
　　事实上，唉，一切都更加复杂。望远镜可以而且应该被砸碎（主要不是粉碎），但这样做的效果会不那么令人印象深刻。
　　带有可移动天线的 VLA 干涉仪的一部分
　　事实是，基本长度为 D 的干涉仪只接收到直径为 D 的固体天线的部分信息。对于精通数学的读者，让我们澄清一下：具有单个碱基的干涉仪读取亮度空间分布的唯一傅里叶谐波（频率取决于该碱基的长度和方向）。如果这对您来说听起来像是＂干涉仪只能读取一个 tiryampampation 的坟墓＂，请不要绝望！主要思想很简单：要构建一个完整的图像，您需要所有的 sepules，其中有很多。两个固定天线（因此只有一个底座）的干涉仪只给出一个。让它与（其中包括！）一个直径为 D 的巨大天线完全相同。
　　有时候这已经足够了。例如，如果观察到的物体是一个微小的点，干涉仪的任务只是尽可能准确地确定它在天空中的位置。但更多时候，没有。为了弄清楚一个复杂的物体是什么样子，天文学家需要更多的信息，这意味着更多的基础。
　　这个可以安排。首先，谁说只能有两个望远镜？最大的干涉测量网络欧洲 VLBI 网络包括从日本到西班牙以及从芬兰到南非的24 根天线。顺便说一句，它还包括在列宁格勒地区、卡拉恰伊-切尔克斯和布里亚特设有天线的俄罗斯 Kvazar 网络。连接任意两台望远镜的每一段都是干涉仪的底座。
　　其次，天线可以相对移动，改变底座的长度和方向。这就是美国VLA系统的工作原理。轨道上有 28 个＂盘子＂，如有必要，它们由专用拖拉机移动。
　　Spektr-R 航天器俄罗斯巨人
　　您可以通过制作几根固定天线和一根可移动天线来组合这两种方法。将移动望远镜发射到狭长轨道上的太空特别诱人。在距地球最远的地方（远地点），卫星将为干涉仪提供一个巨大的底座。当它围绕地球移动时，底座的长度和方向都会发生变化。
　　这正是世界上最警惕的望远镜俄罗斯 RadioAstron 的工作原理。它的空间部分是带有十米天线的Spektr-R人造地球卫星。它于 2011 年发射到太空，于 2019 年停止运行，工作时间比预期的要长得多。在此期间，Radioastron 观测了大约 250 个空间物体并积累了 4 PB 的数据。直到现在它们才被处理和解释。
　　顺便说一句，将十米射电望远镜发射到太空本身就是一项记录。但 Spektr-R 并不是单独工作的。几乎所有适用于该波长的工作射电望远镜（近 60 个）都至少充当了地面臂一次。
　　Radioastron 不是第一个地面空间干涉仪，但它在基准长度方面打破了所有记录。最大基地为35万公里，几乎等于地球到月球的距离。毫不奇怪，这台仪器作为历史上最大的望远镜进入了吉尼斯世界纪录。在这个基础上的分辨率是 8 微秒弧 - 不仅在无线电中，而且在天文学中都是绝对记录。
　　顺便说一句，为什么要记录？是什么阻止我们获得更大的基础？让我们不要围绕地球发射望远镜，而是围绕太阳发射！让它的距离就像到火星，不，像木星，不，像航海者一样！
　　唉，它不会做任何事情。事实是，您必须为高分辨率付出高昂的代价。射电望远镜，不管它是不是干涉仪，都不是用主眼观察天空的。同时，他＂看到＂的只是一小块。有多小？但只是角度大小等于分辨率。
　　有什么风险？蜡烛的火焰像大火炬的火焰一样明亮。但它的尺寸更小，因此来自它的光线更少。通过一个狭窄的狭缝，我们只能看到太阳圆盘的一小块，在一个黑暗的房间里，这个狭缝会发出多少光？无线电波也是如此。如果角分辨率 太高 ，来自宇宙射电源的信号将在背景噪声中变得无法区分。
　　这个问题可以通过提高望远镜的灵敏度来规避。但灵敏度与分辨率不同，它不依赖于底座的大小。要增加它，您仍然需要使用更大的天线。并且很难将大型和大型设备发射到太空，运载火箭的限制已经影响到这里。
　　然而，干涉测量的未来不仅仅在太空，正如 EHT 网络向我们展示的那样。新工具正在逐渐添加到其中，因此有望很快获得更详细的黑洞肖像。
　　另一种可能性是按照干涉仪的标准构建分辨率适中但灵敏度极高的系统。于是，去年开始建设SKAO（平方公里阵列天文台）网络。最大基地将＂仅＂以数十公里测量，但数十万个天线的总面积将超过一平方公里！
　　总的来说，尽管尚未预见到具有地球-火星基地的仪器，但该技术的潜力还远未耗尽。干涉仪将继续仔细检查宇宙，我们将为科学发现的不断涌现而欢欣鼓舞。