不过 , 无论是折射式望远镜 , 还是反射式望远镜 , 都存在一个问题:它的观察通过肉眼和可见光进行 , 可见光的波长短 , 容易被大气散射 , 到达地面上的光微弱而不稳定 。如何解决这个问题呢?人们有两种方法:第一 , 既然大气散射造成了这个问题 , 那么就到大气外面装一个望远镜好了 。于是哈勃望远镜问世了 。人们躲开了大气的散射 , 看到了许多从未见到的景象 。
第二 , 既然可见光会被大气散射 , 我们还可以使用波长较长的红外线或微波进行观测 , 它们更容易穿透大气层 。于是 , 人们就发明了射电望远镜 , 它的基本原理与牛顿的反射式望远镜类似 , 只不过使用的电磁波是红外或微波 。宇宙中许多物质发光并不是可见光 , 只有通过射电望远镜才能观察到它们 。甚长基线干涉技术VLBI无论是眼睛、光学望远镜还是射电望远镜 , 都要满足瑞利判据 。
而且 , 根据瑞利判据 , 最小分辨角θ=1.22λ/D , 射电望远镜使用的电磁波波长λ比可见光更大 , 此时必须增大它的口径D , 才能分辨出很小的角度 。所以世界各国都在争向建设大口径的射电望远镜 。例如中国贵州建设的500米口径球面射电望远镜(FAST) , 工作波长在0.1m左右 , 口径达到了500米 。这么大面积的射电望远镜可以汇聚宇宙中微弱的电磁波 , 同时也可以分辨更小的角度 。
如果用FAST观察黑洞 , 能不能做到呢?比如 , 我们这次拍照片的黑洞是室女座的M87中心黑洞 , 它的直径大约1000亿公里 , 距离我们5500万光年 。经过计算我们可以得出肉眼观察时黑洞张角显然 , 这么小的角度用肉眼是肯定分辨不开了 。观察黑洞的射电望远镜工作波长大约λ=1.3mm , 我们将角度和波长代入瑞利判据 , 可以得到望远镜口径的最小值:也就是说 , 这个望远镜的口径至少要8000公里!地球的半径只有6400公里 , 怎么去建设这么大的望远镜呢?科学家总有办法 。
既然一个望远镜达不到这么大口径 , 我们可不可以使用多个望远镜达到这个目的呢?比如 , 一个望远镜口径不够 , 我们可以用两个相距一定距离的射电望远镜组成网络 , 它就相当于一个“镂空”的反射式望远镜 。这样二者之间的距离就相当于“镂空”望远镜的口径了 。按照这个思路 , 人们组织世界各地的射电望远镜组成了“甚长基线干涉望远镜网络”VLBI , 把地球变成了一个巨大的反射式望远镜 。
不仅如此 , 科学家们还设想:如果伴随着地球围绕太阳的公转 , 这个VLBI的虚拟望远镜口径甚至可以达到地球的公转轨道那么大 , 我们终于能够看到更加遥远的宇宙了 。第一张黑洞照片1915年 , 爱因斯坦提出了广义相对论 , 用以解释宇宙 。很快 , 科学家史瓦西就根据爱因斯坦的相对论计算出了一个特殊的解 , 这就是假如天体的质量足够大 , 就连光都无法逃脱 , 就会形成黑洞 。
爱因斯坦的结论到底对不对呢?一百年来 , 人们验证了爱因斯坦的质能方程、狭义相对论和弱引力场中的广义相对论 , 发现爱因斯坦总是对的 。可是在黑洞这种强引力场中 , 广义相对论正确不正确 , 还没有证实 。人们迫切需要一张黑洞的照片 , 去进一步证实爱因斯坦的结论 。在这样的背景下 , 2012年 , 天文学家们在美国亚利桑那州开会 , 决定组织一批世界不同地区的射电望远镜 , 使用VLBI技术对银河系中心黑洞和室女座M87中心黑洞进行观测 , 这里面甚至包含了南极洲的望远镜 。
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