2019年4月10日，人類歷史上第一張真實的黑洞照片，在人們焦灼的等待與期盼中，橫空出世。伴隨這一盛況，事件視界望遠鏡（EHT）和甚長基線干涉陣（VLBI）兩個高冷的名詞，走出不食人間煙火的天文學(xué)，走進了吃瓜群眾的日常生活里。

首張黑洞照片 | 圖源：EHT Collaboration

看到黑洞的關(guān)鍵首先在于必須擁有空前的空間分辨率。望遠鏡的空間分辨率與觀測波長成正比，與口徑成反比。所以，提高分辨率的方法就有兩種：一種是增大望遠鏡的口徑，另一種是縮短觀測波長。

EHT連接了位于世界各地的八臺射電望遠鏡和望遠鏡陣列，模擬了一臺地球大小的虛擬望遠鏡，才勉強看到黑洞的影子。然而，是否有求知欲旺盛的小伙伴想過，為什么不試著進一步縮短波長？望遠鏡到底如何“看”到黑洞？之前怎么不建EHT？

今天，我們就來逐一滿足小伙伴們的好奇心。

EHT虛擬望遠鏡及VLBI示意圖

綜合輻射機制和現(xiàn)有地面觀測條件的制約，EHT這次給M87星系黑洞拍照選擇了1.3毫米波段（對應(yīng)230GHz頻段，G:10⁹），并將開展0.85毫米波段（對應(yīng)350GHz頻段）的觀測。這兩個頻段同屬于太赫茲頻段。太赫茲頻段位于微波和紅外之間，包含部分毫米波、全部亞毫米波和部分遠紅外波段，波長范圍3毫米至30微米，頻率覆蓋0.1THz至10THz（T:10¹²）。

那么，為了進一步提高空間分辨率，是否可以任性地無限縮短波長，讓望遠鏡的“眼神兒”越來越好呢？

呵呵，想多了！更高頻率（更短波長）的太赫茲地面觀測應(yīng)用，受限于地球大氣層所含水汽對太赫茲高頻信號的強烈吸收。所以，不同觀測站址都有特定的頻率觀測窗口。這次拍攝黑洞照片的EHT望遠鏡臺址中，不是所有的都適合開展更高頻率的觀測。即使在智利海拔5000多米高原上的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）臺址，最高可能觀測的頻率也僅為八九百個GHz。

而另一方面，給黑洞拍照的VLBI方法，由于要進行相位相關(guān)的信號相干合成，當頻率更高的時候，也會嚴重受到大氣湍流對太赫茲高頻信號的相位擾動影響。

既然這樣，那咋不上天呢？問的好！今天，將要給大家介紹的超導(dǎo)SIS混頻器已有空間應(yīng)用的先例（如：Herschel空間天文臺），空間VLBI技術(shù)也會是未來發(fā)展的趨勢哦！

在關(guān)于EHT和VLBI的各種報道和介紹中，我們看到最多的，是擺著各種pose妖嬈豎立的天線。EHT通過VLBI技術(shù)把每臺天線接收到的來自黑洞周圍的電磁輻射信號進行相干合成。但是，要拍到黑洞的照片，除了需要如前所述空前的空間分辨率外，每臺望遠鏡還需要配備靈敏度極高的超導(dǎo)接收機。

阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)| 圖源:ALMA

下圖中穿著厚重銀色鎧甲的便是幕后英雄——“超導(dǎo)接收機”本尊了！

經(jīng)過漫長的星際旅途，宇宙深處遙遠天體發(fā)出的太赫茲信號在到達地球時早已被衰減得極其微弱，需要非常靈敏的接收機去探測。超導(dǎo)接收機正是為此而生，它首先把信號從幾百個GHz 變頻到幾個GHz，再通過低噪聲放大器進行放大，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出到計算機進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

這次給黑洞拍照的所有望遠鏡，全部搭載了超導(dǎo)接收機。超導(dǎo)接收機以其“火眼金睛”般的極高靈敏度，被稱為“接收機中的戰(zhàn)斗機”！

超導(dǎo)接收機實物外型 | 圖源：紫金山天文臺

超導(dǎo)接收機是一個復(fù)雜的集成系統(tǒng)，在它的所有組成部件中，毫無爭議的C位王是“超導(dǎo)混頻器”。EHT所有望遠鏡的接收機上，加載的全部是同一種混頻器——超導(dǎo)隧道結(jié)（SIS）混頻器，它是當前毫米波/亞毫米波天文觀測中最廣泛應(yīng)用的硬核器件。

EHT之所以在近些年才提出，重要原因之一便是：超導(dǎo)SIS混頻器技術(shù)的成熟發(fā)展，使得毫米波/亞毫米波段的望遠鏡具備了更高靈敏度，特別是使得EHT中最重要的、全球迄今最大望遠鏡陣列ALMA的建設(shè)成為了可能，進而使毫米波/亞毫米波段的VLBI觀測成為現(xiàn)實。

下面就來介紹一下這個絕對“高冷”的SIS。

超導(dǎo)SIS隧道結(jié)從剖面看，由上下兩個超導(dǎo)層(Superconductor)和中間一層厚度僅為幾納米的絕緣層(Insulator)構(gòu)成，是一個類似于三明治的三層薄膜結(jié)構(gòu)，所以也被稱為超導(dǎo)“三明治”。

超導(dǎo)SIS隧道結(jié)剖面照片 | 圖源：紫金山天文臺

在看臉的世界里，顏值也是重要的擔當。在下面這張照片中我們可以看到，超導(dǎo)SIS隧道結(jié)像一雙炯炯有神的眼睛，深邃的凝視著茫茫宇宙。正是這一雙直徑僅約1微米的“眼睛”，讓我們看到了5500萬光年之外幾百億公里尺度的黑洞！宏觀與微觀的震撼對比，在這場“給黑洞拍照”的事件中，展現(xiàn)的酣暢淋漓。

超導(dǎo)SIS隧道結(jié)表面照片 | 圖源：紫金山天文臺

都說，黑夜給了我們黑色的眼睛，可我們，卻在“寒冷”中尋找黑洞……

超導(dǎo)SIS混頻器因其特殊的材料需求，必須在極低的溫度下才能運作。這次給黑洞拍照的所有超導(dǎo)SIS混頻器，全都工作在4.2K液氦溫區(qū)（約零下269攝氏度）。

在這樣的極低溫環(huán)境下，超導(dǎo)體中的電子兩兩配對（即：庫伯對），形成宏觀量子態(tài)。當來自觀測天體的太赫茲信號照射到超導(dǎo)隧道結(jié)上，庫伯對吸收能量超過其結(jié)合能的高頻光子后，會被拆散成“準粒子”，并在外加偏壓作用下產(chǎn)生準粒子“隧穿效應(yīng)”——“準粒子”從SIS的一側(cè)超導(dǎo)層（S），穿過中間絕緣層（I），進入另一側(cè)超導(dǎo)層（S），產(chǎn)生瞬間電流突變，從而表現(xiàn)出伏安特性的強非線性。

要使準粒子具有聊齋故事中“嶗山道士”一般的“穿墻”法力，中間絕緣層的厚度必須很薄，僅為1~2納米。因此，超導(dǎo)三明治不是普通的三明治，不可以加料，不可以搞大！薄，才是硬道理！絕緣層厚度通常與超導(dǎo)材料中電子配對的相干長度成比例。

不過，僅僅薄還不夠。要真正實現(xiàn)高靈敏度，絕緣層還必須非常均勻，不能有針孔（pin hole）。這是確保超導(dǎo)隧道結(jié)具有接近零的超低暗電流的關(guān)鍵。而“強非線性”和“低暗電流”共同決定了超導(dǎo)SIS隧道結(jié)的高靈敏度特征，即可探測極其微弱的電磁輻射信號。當然，薄且均勻的高質(zhì)量絕緣層對制備工藝的要求也是極高的。

準粒子隧穿效應(yīng)示意圖