2019年4月，一群来自世界各地的天文学家公布了第一张黑洞的照片，震惊了世界——黑洞是坍缩的恒星和气体的巨大堆积，没有任何东西可以逃脱，甚至连光也不能逃脱。这张照片拍摄的是位于M87星系中心的黑洞，在黑洞中心周围有发光的气体。2021年3月，同一个团队拍摄了另一张令人惊叹的图像，显示了黑洞周围的光的偏振，揭示了它的磁场。
拍摄这两幅图像的“相机”是事件视界望远镜（EHT），它不是一个单一的仪器，而是一个分布在全球各地的射电望远镜的集合，这些射电望远镜通过结合每个望远镜的数据共同工作，创造出高分辨率的图像。现在，科学家们正在寻求将EHT扩展到太空中，以更清晰地观察M87的黑洞。但是，要想获得天文学历史上最清晰的图像，面临着一个挑战：如何将望远镜的大量数据集传回地球进行处理。麻省理工学院林肯实验室开发的一种小型但功能强大的激光通信（lasercom）有效载荷以高数据速率运行，需要对黑洞感兴趣的方面进行成像。
将基线距离延伸至太空
EHT通过干涉测量法——确切地说，是非常长的基线干涉测量法——创造了M87黑洞的两幅现有图像。干涉测量法的工作原理是在地球上不同的地方用多个望远镜同时收集无线电波形式的光，然后比较不同位置无线电波的相位差，以确定光源的方向。EHT合作项目——包括哈佛-史密森天体物理中心（CfA）和麻省理工学院干草堆天文台的工作人员——通过对地球周围望远镜的不同组合进行测量，基本上创造了一个地球大小的望远镜，以便对距离地球5500万光年远的令人难以置信的微弱黑洞进行成像。
使用干涉测量法，望远镜越大，图像的分辨率越好。因此，为了专注于这些黑洞的更精细的特征，需要一个更大的仪器。天文学家希望解决的细节包括落入黑洞的气体的湍流（通过一种称为吸积的过程将物质聚集到黑洞上）和黑洞的阴影（这可以用来帮助确定来自M87的射流是从哪里汲取能量的）。最终目标是观察黑洞周围的光子环（光在逃逸之前最接近的轨道）。捕捉到光子环的图像将使科学家们能够检验阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。
播放视频黑洞光子环
视频：黑洞探索者
对于地面望远镜来说，两台望远镜之间最远的距离是在地球的两侧，也就是相隔13000公里左右。除了这个最大基线距离之外，地球上的仪器还受到大气的限制，这使得观测更短的波长变得困难。地球大气的限制可以通过延长EHT的基线并将至少一个望远镜放置在太空中来克服，这正是cfa领导的黑洞探测器（BHEX）任务的目标。
这种基于空间的概念带来的最大挑战之一是信息的传输。生成第一个EHT图像的数据集非常大（总共4 pb），因此必须将数据放在磁盘上并运送到一个设施进行处理。从轨道上的望远镜收集信息会更加困难；该团队需要一个能够以大约每秒100千兆比特（Gbps）的速度将数据从太空望远镜下行到地球的系统，以便对黑洞的理想方面进行成像。
进入TBIRD
这就是林肯实验室的用武之地。2023年5月，该实验室的太字节红外发射（TBIRD）激光通信有效载荷实现了最快的太空数据传输，从近地轨道（LEO）以200 Gbps的速率传输数据，比典型卫星通信系统快1000倍。
NASA的tb红外发射（TBIRD）激光通信演示完成任务
视频来自MIT林肯实验室
“我们开发了一种从太空到地面的大容量数据传输的新技术，”该实验室光学与量子通信小组助理组长王玉德说。“在开发这项技术的过程中，我们寻求合作和其他潜在的后续任务，以利用这种前所未有的数据能力。BHEX就是这样一个任务。如此高的数据速率将使科学家首次能够成像黑洞的光子环结构。”
由王领导的激光通信团队与CfA合作，正在开发中地球轨道（MEO） BHEX任务所需的长距离、高速率下行链路。
BHEX任务的首席研究员、CfA天体物理学家迈克尔·约翰逊（Michael Johnson）说：“激光通信完全颠覆了我们对太空天体物理学发现的期望。”“在接下来的十年里，这项令人难以置信的新技术将把我们带到黑洞的边缘，为我们目前对物理学的理解崩溃的区域创造一个窗口。”
虽然TBIRD非常强大，但该技术需要进行一些修改，以支持BHEX科学任务所需的更高轨道。小型TBIRD有效载荷（CubeSat）将升级为更大的孔径尺寸和更高的发射功率。此外，TBIRD自动请求协议——确保数据在不受大气影响的情况下传回地球的错误控制机制——将被调整，以适应MEO任务带来的更长的往返时间。最后，用于数据传输的TBIRD LEO“缓冲和突发”架构将转向流方法。
王说：“通过TBIRD和其他激光通信任务，我们已经证明了激光通信技术今天可以用于这样一个有影响力的科学任务。”“有机会为一个真正有趣的科学发现领域做出贡献是一个令人兴奋的前景。”
BHEX任务概念自2019年以来一直在开发中。BHEX的技术和概念研究得到了史密森天体物理天文台、美国宇航局戈达德太空飞行中心内部研究与发展计划、亚利桑那大学和麻省理工学院-日本计划的ULVAC-Hayashi种子基金的支持。BHEX对激光通信的研究得到了弗雷德·埃尔萨姆和戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持。
