一直以来，浩瀚的宇宙神秘而又令人向往，探索宇宙是人类永恒的追求目标。一代又一代科学家克服千辛万苦，锲而不舍，不断提高观测手段，为的就是更深入了解我们的宇宙，能够“看”得更远，“看”得更清楚。宇宙中高能的天文现象通常与极端致密的天体（如黑洞）密切相关，许多与黑洞相关的前沿天体物理课题都非常依赖于超高分辨率的成像观测。本文将介绍我国正在推进的高分辨率成像空间射电天文台计划。

 

　　射电天文是天文学的一个分支，主要是通过射电望远镜接收天体发射的无线电频率信号来研究天体的辐射、运动和变化等。与传统的光学天文学相比，射电天文是一个年轻的学科，始于1930年代早期，在二战以后获得了蓬勃发展。尽管年轻，射电天文已为人类探索宇宙作出了巨大的贡献。20世纪60年代天文学上四大发现（类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射）中的前三个均是射电天文的骄人成绩，迄今为止10项授予天文学研究的诺贝尔物理学奖中有6项是射电天文学的贡献。

 

　　与人肉眼看到的可见光不同，射电天文是通过探测天体发出的无线电波辐射来研究物理和化学性质。无线电波不像可见光那样受星际消光的限制，这一特点使得人们能够深入一些天体内部看到一个独特的天象。而且，射电波段的甚长基线干涉测量（VLBI）可以提供最高分辨率的天文观测技术。

 

　　VLBI是一种用于射电天文学中的干涉测量方法，它允许多个天文望远镜同时观测一个天体，分辨率角度的观测效果相当于一个大小等于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。当今天文领域中分辨本领最高的成像观测技术，是对黑洞等极端致密天体的细致结构成像的唯一有效手段。VLBI的分辨率高达毫角秒甚至亚毫角秒量级，如此高分辨率成像相当于能从地球上看清楚月面上一只篮球。

 

　　从历史上看，对未知领域的探索从来都不吝于带给人类新的发现，很多时候会引发天文和物理学上的革命。天文学是一门以观测为基础的学科，先进的观测仪器是取得创新和突破的前提。纵观天文学史，每一次重大天文发现都伴随着望远镜设备和观测技术的革新。

 

　　我国的射电天文尽管起步较国际上晚了二三十年，但随着国家综合国力的不断增强，自2000年后我国相继建造完成了3台40-65米的射电天文望远镜，还有一台500米口径的望远镜正在建造之中。这些大口径望远镜组成了中国VLBI网，不仅是探测天体细致结构的利器，而且为我国探月工程中嫦娥卫星的精密测定轨作出重要贡献。我国在高分辨率射电成像方面已经逐步走到世界前列，为下一步实现跨越式发展奠定了基础。

 

　　随着认知领域的不断扩展，天文学家对精细成像观测提出更高的要求。对高分辨率成像的追求把人们的思维引向太空，科学家们设想利用在卫星上搭载射电望远镜与地球上望远镜组成“空-地”观测网，从而实现地球上无法逾越的分辨率极限，这就是高分辨率成像空间射电天文台（以下简称为空间VLBI）的初衷。空间VLBI是地面VLBI的自然延伸，是射电天文观测技术在提高观测分辨率方面的一项重大突破。空间VLBI的最大优势是拥有比地面VLBI网更长的基线，能够达到几万公里甚至几十万公里，从而将分辨率提高了数倍甚至数十倍。在过去40年的不懈努力下，日本和俄罗斯的天文学家已经成功地先后各自发射了一颗空间射电望远镜，开展空间VLBI观测研究。下图展示了日本主导的世界上第一个空间VLBI项目（VSOP），不同波段不同望远镜拍摄到类星体3C273的图片，位于最下方的空间VLBI图片展示了从星系核心喷射出的高度相对论性喷流，类似的细节结构是其他波段无法企及的。

 

　　中国科学院上海天文台在国际上空间单星成功的基础上，提出一个雄心勃勃的计划：发射双星甚至多星，这些空间望远镜不仅与地面组成更加庞大的“空-地”VLBI网，而且可以形成空间VLBI阵列。目前国际上因为其他大型射电天文项目（如阿塔卡马亚毫米波天线阵ALMA和平方公里阵SKA）建设的原因，无力推进类似空间VLBI阵，这对我国天文学家来说是一个机遇。

　　上海天文台提出的空间VLBI阵列计划的路线图有三个重要节点。第一个重要节点是计划在2016-2020年发射两颗卫星，各搭载一架10米口径的射电望远镜，最高工作频率在43GHz，远地点距离为60 000公里，与地面望远镜组阵实现20微角秒的超高分辨率，能够对活动星系核的喷流喷嘴、距离银河系最近的超大黑洞M87的边界进行首次成像，对黑洞的理论模型提出严格的观测检验。

 

　　由于黑洞强大的引力场，光子都无法逃逸，因此我们永远无法看到黑洞自身的面貌，只能绘制黑洞周边区域的轮廓。黑洞周围的吸积盘在黑洞强引力场下，会呈现出如上图所示不对称的月牙状图像。美国科学家Avery E.Broderick和Abraham Loeb通过理论计算和数值模拟得到了超大黑洞边界的图像，不同的形态反映了黑洞不同的自旋和视角。空间VLBI阵列将直接摄取黑洞边界图像，一方面给出黑洞存在的确凿证据，另一方面直接测量黑洞的质量、尺寸和自旋。

 

　　为了能够满足20微角秒成像的要求，空间VLBI阵列对空间望远镜的型面精度和指向精度、卫星平台的姿控稳定性、星载致冷接收机、星载氢原子钟、时间频率同步、星地高速数传、定轨精度等关键技术指标都提出了几近苛刻的要求，每一项都极具挑战，代表了相应技术领域的最高水平甚至是突破方向，技术难度可想而知。但正是这种机遇与挑战并存的诱惑吸引着天文学家不断突破自身，大胆地开拓创新。中科院上海天文台首次开展了空间VLBI阵列的科学论证，有望推进广义相对论等基础物理的进步和完善，是人类向探索黑洞等宇宙神秘天体迈出的重要一步。