在他灵敏的“目光”之下，人类对于宇宙有了更加深入的了解。作为人类目前最深邃的眼睛，阿塔卡玛（ALMA）还会在很长的时间内，用冷静的目光见证着宇宙间的诞生和死亡。
作者：何慧中
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黑洞的“真容”
2019 年 4 月 10 日，美国东部时间早晨 9 点，一场盛大的新闻发布会，在全球 7 个地点同时召开 [1]。在美国华盛顿的主会场，哈佛大学天体物理中心的主任，著名的天文物理学家的谢普德·多尔曼（Sheperd Doeleman）难以掩饰自己的激动，他兴奋地说道：“我们已经看到了我们曾经认为不可能看到的东西”。他停顿了一下，然后抬高了嗓门继续说道：“我们不仅看到，并且拍下了黑洞的照片” [2]，顿时，会场内响起了震耳的欢呼声和掌声。
随后，一张照片展现在全世界的面前。在黑色背景之下，有着一个类似甜甜圈的天体。虽然看起来图片并不算太清晰，像是没有对上焦，有点虚，但对于人类来说，它是一种永远载入史册的伟大照片，这是人类第一次拍摄到黑洞的影像。它的出现，意味着人类对于宇宙探索迈向了新的阶段。有一个射电望远镜阵列也因为这张照片而一战成名，这就是本期节目的主角，位于智利北部阿塔卡玛沙漠上的阿塔卡玛（ALMA）阵列，它也被称为「宇宙生与死的见证者」。
黑洞的“真容”
「观天神器」这个系列讲到这里，相信你们对于望远镜已经有了很多了解。作为人类眼睛的拓展，天文望远镜可以帮助人类看向遥远的宇宙。而在天文望远镜领域，各国的科学家对于毫米级波段的射电望远镜一直有着极强的兴趣。因为在这个波长范围内，射电望远镜主要捕捉的是以分子形式存在的物质，它不仅能观测天体的运行规律，还能观测到水和有机物的踪影。
但想要修建毫米级的射电望远镜，却并非一件易事，因为相对于米级或者厘米级的射电望远镜来说，毫米级射电望远镜对于天线和发射面的精度要求更高。如果望远镜的天线，也就是经常被我们比喻为「大锅」的那个接收面，它的表面不够光滑或者设计的角度有细微的偏差，都会造成望远镜的失焦，就无法得到理想的观测结果。对应制作工艺上，米级射电望远镜用金属网做镜面就可以了，而对毫米级射电望远镜，就需要用光滑精密的金属板或镀膜来做镜面。可另外一方面，射电望远镜的观测能力又与天线的口径大小有关。口径越大的望远镜，理论上观测的精度就越好。这就意味着，科学家和工程师们，必须要在观测精度和制造天线的难度之间找到一个平衡。
不过，除了可以通过增大口径的方式提高精度外，还可以通过将一系列小的天线，按照一定的排列规律组成矩阵进行观测，在功能上等同于一个大口径的望远镜。这就像试衣间里的镜子，单一的一面落地镜可以清楚的反射模特的身材，而用一组小镜子拼接而成的镜子，同样也能实现类似的效果，小天线的建造难度，自然要比建一口「超级大锅」容易的多。
虽然难度要求降低了，但想要达到大口径望远镜的能力，小天线的数量自然是少不了，这无形中增加了建造的费用。美国在上世纪末，在夏威夷建造了由 8 个小天线组成的射电望远镜 SMA（Sub-Millimeter Array），在当时足足花了数十亿美元，而每年仅维护的费用就高达 7 百万美元左右 [3]。即使对于美国这样的大国，这个开销也绝不是小数字。所以在 SMA 项目完成后，美国计划建造一个规模更大的毫米级射电望远镜。但由于高昂的费用，这个项目只能一直搁浅。
夏威夷亚毫米波阵列望远镜（SMA）
无独有偶，欧洲南方天文台同样对于毫米级射电望远镜有自己的打算，但同样因为经费问题迟迟没有开展。到了 1995 年，两个天文台开始讨论，既然自己单独的计划困难重重，那不如双方合作共同建设一个举世无双的毫米级射电望远镜阵列呢？双方合作的意愿很强烈，但对于这个庞大的射电望远镜阵列计划，还是拖到了 21 世纪的到来才最终定下来 [4]。在此期间，日本天文台也加入了这项计划。
阿塔卡姆（ALMA）
2003 年，经过前期紧锣密鼓的筹备，阿塔卡玛（ALMA）项目终于开始破土动工。按照计划，这个总投入高达 14 亿美元的项目，共有 66 根小天线组成，其中美国和欧洲各负责组装其中的 25 根天线，剩余的 16 根天线则由日本国家天文台修建 [5]。但这个世界顶级的射电望远镜项目，选址既不在美国，也没有在欧洲，而是选择了在南美洲的智利阿塔卡玛沙漠，这也是这个望远镜的名字由来。
由于季风和地形的因素，使阿塔卡玛沙漠成为全球最干燥的区域之一，常年降水量小于 0.1 毫米；当地的平均海拔达到了 4 千多米，受到云层的影响非常小。由于环境恶劣，方圆千里都没有人烟，不会有人为的电磁波干扰观测。假如用一句话来描述这里的环境，我会这么说：这是地球上最像火星的地方。所以，当阿塔卡玛（ALMA）开始动工建设之时，这个工程不太像建望远镜，更像是人类在火星建立基地。
阿塔卡玛（ALMA）望远镜观测基地
2008 年，又经过了 5 年多前期的基础建设，第一根天线终于伫立在了这片红色的土地上。而要把 66 根天线都完成组装搭建，还需要另外的 5 年时间。对于天文学家们来说，这个时间实在是太长了。所以在 2011 年，阿塔卡玛（ALMA）虽然只完成了 11 根天线布设，科学家们就忍不住交给它一个重要的任务，期待阿塔卡玛（ALMA）能带来怎样的惊喜。
虽然只完成了五分之一的的建设，阿塔卡玛（ALMA）接到的第一个任务却一点也不轻松，那就是配合号称「天空之眼」的哈勃望远镜共同进行观测。在 7000 万光年的乌鸦座，正在发生着惊心动魄的场面：两个星系正在擦肩而过，无数恒星正在以惊人的速度和规模大量生成，这种星系也被称为星爆星系，无数旧的恒星被引力撕碎湮灭，而无数新的恒星也在碰撞中爆发形成。
哈勃望远镜很快就为人类呈现出了一个绝美的画面：在可见光的领域，哈勃清晰地记录了两个星系正在接近，而彼此之间还保持着一定的距离。这个画面虽然精彩，却也没有出乎科学家们的意料，他们更感兴趣的是阿塔卡玛在毫米级波段能够观察到什么。
阿塔卡玛没有让天文学家失望，它为我们带来了更加惊人的真相：两个星系看似尚未接触，但实际上，它们喷发出的致密冷气体云早已经搅拌到一起。这些气体的总质量，是太阳质量的数十亿倍，无数的恒星正在这团混沌之中等待着新生。
由哈勃望远镜与阿塔卡玛（ALMA）望远镜共同拍摄的乌鸦座星爆星系，其中蓝色光为阿塔卡玛（ALMA）望远镜所拍摄的影像
阿塔卡玛（ALMA）望远镜的初战告捷，让天文学家们对它有了巨大的期待，一位科学家不禁感慨道：“阿塔卡玛（ALMA），正在慢慢睁开自己的眼睛。” [6] 2012 年，全球的科学家开始有了一个更加野心勃勃的计划，该计划被称为事件视界望远镜的计划（Event Horizon Telescope, EHT），希望用人类目前已有的天文望远镜，去寻找黑洞的踪迹。但在阿塔卡玛（ALMA）尚未完全竣工之前，受限于精度，这个宏伟的计划暂时还不能实现，科学家们只能继续耐心等待着阿塔卡玛（ALMA）完全睁开自己的眼睛。
2013 年 3 月 14 日，经过漫长的等待，当第 66 根天线架设完毕时，这一人类历史上最灵敏的射电望远镜之一的阿塔卡玛（ALMA），开始了自己真正的探索之旅。而庆祝这一项伟大工程最好的纪念，是在当天出版的《自然》和《天体物理学杂志》上，同时刊登了一篇由阿塔卡玛（ALMA）观测数据所撰写的论文 [7] 。通过这篇论文，让人类对于宇宙有了新的认识。
通过对宇宙中 26 个不同区域的观测，阿塔卡玛（ALMA）带给人类一个惊人的结论：恒星形成的时间远早于我们的想象。按照此前的观点，在宇宙形成 30 亿年后，恒星才开始大量的出现。而阿塔卡玛（ALMA）则用观测证据告诉了人类，恒星早在宇宙形成 20 亿年左右，就已经大量出现了 [8]。10 亿年的时间，即使在天文学的时间领域中，也是一个非常漫长的过程。伴随着恒星出现时间的提前，很自然，行星出现的时间也大幅度提前。更加震撼的是，阿塔卡玛（ALMA）还在距离地球约 130 亿光年外的星系，检测到了水和一氧化碳的痕迹，这是人类在宇宙中找到的最遥远的水[9]。既然生命出现的基本条件都比过去预测的要更早和更常见。那么看似平平无奇的地球能够产生智慧生命，其他行星是否也能产生呢？至少阿塔卡玛（ALMA）用自己的发现，让这个遐想多了更多的可能性。
由阿塔卡玛（ALMA）望远镜拍摄的 SPT0311-58 星系中水的痕迹
既然阿塔卡玛（ALMA）异乎寻常的灵敏度，可以见证恒星的诞生，那么给黑洞拍摄照片的任务，终于等到了可实施的这一天了。自从爱因斯坦提出广义相对论，用理论呈现了黑洞这种神奇的存在后，它是否真实存在的争论，就从来没有消失过。当恒星死亡之后，真的有可能变成连光都逃离不了的奇怪天体吗？黑洞不仅成为了天体物理学最热门的研究目标，也成为普通人街头巷尾议论的话题。
观测黑洞计划
想要证明有黑洞，最好的办法自然是人类亲眼能够见证。但这就变成了一个悖论，既然黑洞质量大到连光都无法逃离，人类又怎么能通过观测发现它的存在呢？
不过这件事并没有难倒科学家，虽然我们不能直接观测黑洞是否存在，但可以通过间接的手段去观察。就像风虽然看不见摸不着，但是我们可以通过旗子的抖动证明风的存在。每一个超大质量星系的中心都存在着一个黑洞。黑洞尽管可以吞噬一切，但吞噬过程中会在外围形成明亮的吸积盘，所以只要将射电望远镜对向星系的正中央，通过验证是否存在吸积盘，间接就能观测黑洞。
由于阿塔卡玛（ALMA）的加入，这个观测黑洞的计划终于开始实施了。与阿塔卡玛（ALMA）共同参与这个项目的还有地球上不同区域的另外 7 个射电望远镜。正如用 66 根天线组成阿塔卡玛（ALMA）一样，利用分布在全世界不同区域的射电望远镜，同样可以组成一个口径更大的射电望远镜。这一次，科学家们将整个地球变成了一个巨大的望远镜，观察期间 8 个望远镜都对准同一个目标，在精度和距离上，人类终于达到了观测黑洞的能力。于是很快，科学家们就把所有的望远镜对准了 5500 万光年之外，一个代号 M87 的超巨椭圆星系的中心。
目前参与事件视界望远镜计划（EHT）的望远镜分布图
2017 年 4 月 5 日至 14 日，从北极的格陵兰岛，到南极大陆冰盖的最高点，全球 8 个顶级的射电望远镜，都把目光都对准了 5500 万光年之外的 M87。在 10 天的观测中，产生了海量的数据，仅仅一个望远镜所产生的数据，就高达 7PB 的数据，相当于 10 万张蓝光版本《星际穿越》影片容量的总和 [10]。由于数据量实在太大，已经超过了目前国际宽带能够传输承载的上限，所以这些数据只能被拷贝装到硬盘里，再被源源不断的运往美国和德国的两个数据处理中心 [11]。
经过 2 年多的数据处理，最终这些数据汇聚成了一张图片，这就是那张大名鼎鼎的，人类拍摄的第一张黑洞的图片。这张照片，总体拍摄的尺度有 1000 亿千米。图片中央的黑洞，由于距离我们有 5500 万光年，因此在天空中看来尺寸非常小，只有 41 微角秒。观测的精确程度，相当于在地球上清楚看清月面上一张信用卡的信息。正是由于阿塔卡玛（ALMA）的参与，才让这个看似不可能完成的任务成为了可能。
建设竣工的阿塔卡玛（ALMA）望远镜矩阵
2018 年 6 月，阿塔卡玛（ALMA）建成不过 5 年，但由它观测数据所产生的第 1000 篇论文正式发表了。在他灵敏的「目光」之下，人类对于宇宙有了更加深入的了解。作为人类目前最深邃的眼睛，阿塔卡玛（ALMA）还会在很长的时间内，用冷静的目光见证着宇宙间的诞生和死亡。相对于宇宙的尺度，人类实在太过渺小，或许人类文明迟早有一天会消失在宇宙中，对于宇宙来说，人类文明存在的时间不过是一瞬间。但我坚信，在我们的宇宙中，一定会留下人类文明曾经存在过的痕迹。这种信仰让我身为一个渺小的人类，却依旧充满无上的荣耀。正如莎士比亚那句著名的诗句：纵使我身陷于果壳之中，我依然是无限宇宙之王。
信源
[1] 新华社人类史上首张黑洞照片10日面世
http://www.xinhuanet.com/world/2019-04/09/c_1124343707.htm
[2] Lisa Grossman, Emily Conover . "The first picture of a black hole opens a new era of astrophysics". Science News. Retrieved April 10, 2019.
[3] 根据The Submillimeter Array 委员会报告
https://lweb.cfa.harvard.edu/sma/Committees/
[4] 根据阿塔卡玛大毫米阵列（ALMA）官网介绍
https://www.almaobservatory.org/en/about-alma/origins/ 
[5] Long, Gideon (29 May 2016). "Alma telescope peers into space from Chile's mountains". BBC News. Retrieved 29 May 2016. https://www.bbc.com/news/world-latin-america-36357501
[6] ALMA Opens Its Eyes. https://www.almaobservatory.org/en/press-releases/alma-opens-its-eyes/
[7] Vieira J D , Marrone D P , Chapman S C , et al. Dusty starburst galaxies in the early Universe as revealed by gravitational lensing[J]. Nature, 2013, 495(7441):344-347,a3.
[8] ALMA Rewrites History of Universe’s Stellar Baby Boom 
https://www.almaobservatory.org/en/press-releases/alma-rewrites-history-of-universes-stellar-baby-boom/
[9] ALMA Scientists Detect Signs of Water in a Galaxy Far, Far Away 
https://www.almaobservatory.org/en/press-releases/alma-scientists-detect-signs-of-water-in-a-galaxy-far-far-away/
[10] 换算过程：目前市面上最清晰的《星际穿越》版本约70GB，7PB约等于10万张《星际穿越》的影片容量。
[11] Vincent L. Fish; Kazunori Akiyama; Katherine L. Bouman; 等. Observing—and Imaging—Active Galactic Nuclei with the Event Horizon Telescope. Galaxies. 
https://www.computerworld.com/article/2972251/massive-telescope-array-aims-for-black-hole-gets-gusher-of-data.html
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