世界最強光學望遠鏡陣列正追蹤黑洞，力求最大程度驗證廣義相對論

在智利境內的沙漠里，一架巨型望遠鏡正一動不動的注視著銀河中心超大黑洞的視界，等待著那個能測試廣義相對論極限的事件發生。

在智利阿塔卡馬沙漠里的 Cerro Paranal 山的山頂，坐落著由 ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 四台望遠鏡組成的世界最強光學望遠鏡陣列，「甚大望遠鏡（VLT，Very Large Telescope）」。

圖 | 被炸平的 Cerro Paranal 山山頂（圖源：Enrico Sacchetti）

雖然銹紅色的土壤配上飛揚的塵土讓人乍一看還以為這裡是火星表面，但每當夜幕降臨，ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 這四台巨大的望遠鏡便會從穹頂中緩緩轉出，通過精緻而複雜的現代光學系統捕捉那些來自宇宙深處的微弱光線。

在 VLT 工作的天文學家 Jonathan Smoker 說：「這裡一年 365 天中的 330 天都是晴天，而且幾乎沒有光污染，當月亮落下時，夜晚的銀河系婉如白晝，簡直就是天文學觀測的天堂。」

圖 | 夜幕中的 VLT（圖源：R. Wesson/ESO）

VLT 於 1998 年建成並投入運營，組成 VLT 的 ANTU、Kueyen、Melipal 和 Yepun 這四台望遠鏡每台都裝有一個直徑為 8.2 米的鏡片，而由望遠鏡內多個鏡片組合而成的精緻光學系統則能使天文學家們能夠最大限度地對宇宙進行觀測。

VLT 在自建成後首次開機的 20 年裡產出過許多著名的星雲圖像，也幫助歐洲南部天文台（ESO, European Southern Observatory）的天文學家們解答了一些如「通過一個星系內恆星和行星的形成過程來判斷該星系是否能孕育生命」的開放性問題，並幫助驗證了天文學中的一些基礎理論。

例如，天文學家們曾在 20 世紀 90 年代發現了此前僅存在於理論中的一顆系外行星，但當時人們只能通過該星系內恆星所受到的影響判斷該行星是否存在，而 VLT 則在 2004 年成功拍到了人類的首張系外行星照片，並以此開啟了天文觀測的一個新紀元。VLT 所使用的技術不僅能讓天文學家們直接觀測到系外行星，還能讓科學家們根據圖像推測系外行星的大氣層成分，而 VLT 所收集的數據也的確與宇宙大爆炸理論的預期相符，為宇宙大爆炸理論提供了間接支持證據。

圖 | VLT 拍攝到的「索爾之錘（Thor』s Helmet）」星雲（圖源：ESO）

然而，就算是最先進的望遠鏡也會隨著科技的進步而落後。天文學家們認為，如果想要看得更遠，VLT 也必須進行升級才行。

除了鏡片尺寸，望遠鏡的性能還受許多像大氣湍流這樣的外部因素影響。VLT 所在的 Paranal 天文台海拔 2650 米，雖然空氣已經十分稀薄，但是大氣中的湍流仍會對光線造成隨機性的彎曲，造成我們肉眼所見的星星會不停閃爍，並使望遠鏡所觀測的圖像變得模糊。

VLT 原本設有一個用於糾正氣流影響的自適應光學系統，但根據當前的標準，上世紀的設計已經不能再使望遠鏡能在最大程度上糾正氣流影響，天文學家們於是在 2016 年開始為 VLT 的自適應光學系統進行升級。

在 2016 年的升級中，Yepun 望遠鏡的光學系統中增添了一個厚度為 2 毫米，配有近 1200 個執行器的可形變次鏡（deformable secondary mirror），能根據大氣的測量結果通過這些執行器實時對鏡面的形狀進行調整並以此設法抵消掉一部分氣流影響。而由四台望遠鏡構成的 VLT 本身也被增加了一個能對單台望遠鏡觀測信息進行整合的 GRAVITY 系統，通過演算法將圖像銳化以提升清晰度。

在 2016 年的升級過後，天文學家們用 VLT 首次成功拍到了一顆年輕恆星附近塵埃區中正在形成的一顆行星，分析了 TRAPPIST-1 恆星周圍 7 個類地行星的大氣層成分（其中幾個大氣層中富含水分子），並幫助完成了一些其他的研究任務。

而除此之外，天文學家們還在 2016 年的升級後用 VLT 觀測到了一個即將在銀河系中心發生的大事件，一顆恆星正在快速向一個名為「射手座 A（Sagittarius A）」的超大質量黑洞靠攏。該黑洞的質量是太陽的 40 億倍，天文學家們自上世紀 90 年代起就一直在關注這顆軌道會逐漸向 Sagittarius A 黑洞靠攏，編號為「S2」的恆星，想在其被黑洞捕捉時對愛因斯坦的廣義相對論進行一次有史以來最為嚴格的測試。

但地球上所能觀測到的由 S2 恆星所發出的光線十分微弱，這就對望遠鏡的觀測精度提出了要求。德國馬克斯普朗克系外物理研究所（Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics）的 Oliver Pfuhl 說：「位於銀河系中心的 S2 恆星和 Sagittarius A 黑洞離地球都很遠，與地球隔有一層厚厚的塵埃，而僅有部分微弱的光線能透過塵埃抵達地球。」

Jonathan Smoker 說：「我們在 2016 年 Yepun 望遠鏡升級中添加的一個名為「四束激光嚮導設備（Four-Laser Guide Star Facility）」的裝置使對 S2 恆星進行精準觀測成了可能。該設備能用激光激發大氣中的鈉原子，而望遠鏡則能以每秒一千次的頻率對這些被激發的鈉原子進行分析，並以此計算出氣流變化對觀測所帶來的的影響，進而自動對光學組件進行調整以最大程度地抵消這些影響。」

VLT 的研究員 Jo?lVernet 表示，這意味著 VLT 將能以接近自身鏡片理論極限的觀測能力對天體進行觀測，甚至能幫助天文學家對銀河系外的超大質量黑洞進行追蹤。

而除了對 VLT 進行升級，天文學家們目前正在 VLT 旁邊籌建一個計劃於 2024 年上線，主鏡直徑約 40 米的新「極大望遠鏡（ELT, The Extremely Large Telescope）」。

Jonathan Smoker 表示，目前有許多問題都超出 VLT 的觀測能力上限，而 ELT 則能彌補這一空缺，使天文學家們能對一些更遠的星系進行觀測，對宇宙膨脹加速度進行首次測量，並隨著時間推移推測出一些基本物理常量的變化程度，幫助物理學家進一步完善現有的基礎理論，他說：「我已經有點等不及想要看到 ELT 上線了。」

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