六问黑洞首秀

北京时间2019年4月10日，首张黑洞照片在全球200多位科学家的努力下新鲜出炉。不过，很多人看到照片后，依然对黑洞充满好奇：为什么黑洞的照片那么模糊？给黑洞拍照有哪些困难？……对于这些疑问，科研人员都一一做出了回答。一起去看看吧！

1.黑洞照片是怎么拍出来的？

在过去的十多年间，美国麻省理工学院的科学家们联合其他研究机构的科研人员开展了“事件视界望远镜”项目，全球多地的亚毫米波射电望远镜同时对黑洞展开观测。

事件视界望远镜由位于四大洲的数个亚毫米波射电望远镜组成，它们向选定的目标撒出一张大网，捞回海量数据，以勾勒出黑洞的模样。

由于亚毫米波段是我们无法直接用肉眼看到的，所以利用它给黑洞拍照，得到的实际上是黑洞周围辐射的空间分布图。

人们日常接触的光学照片反映的是光学波段颜色或频率不同的光子在不同空间位置上的分布情况。明白了这一点以后，就很容易理解亚毫米波段“黑洞照相馆”的原理了。虽然是以单个频率进行亚毫米波段观测，但由于黑洞周围不同区域的光子所产生的辐射强度不同，可以得到一张光子强度分布图，然后假定不同的强度对应不同的颜色，就能得到一幅“伪色图”（黑洞照片中的颜色很可能是科学家根据个人喜好自行设定的）。

2.黑洞照片为什么那么模糊？

与光学照片一样，清晰度源于分辨率。要提高望远镜的分辨率，既可降低观测频段光子的波长，又可增加望远镜的有效口径。利用全球不同地方的望远镜联网，科学家们得到了一个口径超大的望远镜，并在相关技术相对成熟的射电波段内，选择了能量最高的毫米和亚毫米波段。

值得注意的是，有效口径取决于望远镜网络中相距最远的两个望远镜之间的距离。2017年，一系列亚毫米波射电望远镜加入观测。2018年，北极圈内格陵兰岛的亚毫米波射电望远镜加入，使得基线长度增加，提高了分辨率。

虽然目前的基线已达到了1万千米，但空间分辨率刚达到黑洞视界面的尺寸，所以在科学家们观测的有限区域内，就相当于只有有限的几个像素。

另外，影响观测的因素不仅仅只是分辨率，还有灵敏度——高分辨率可以让我们看到更多的细节，而高灵敏度则能让我们看到更暗的天体。

在事件视界望远镜的阵列中，位于南极的SPT望远镜和位于智利的ALMA望远镜阵列在增加基线长度及提高望远镜的分辨率方面起到了非常大的作用。如果未来能有更多的望远镜加入这个阵列，我们就能探测到更弱的辐射区域，看到更多的细节，得到更加清晰的黑洞照片。

3. 事件视界望远镜于2017年开始拍摄，为什么两年后才得到照片？

首先，望远镜观测到的数据量非常庞大。2017年，望远镜的数据量达到了10PB（1PB=1 024TB），2018年又增加了格陵兰岛望远镜，数据量继续增加。

其次，在数据处理的过程中，科学家也遇到了不少技术难题——黑洞附近的气体处于一种极端环境中，其运动有着非常多的不确定性——为了解决这些问题，科学家们还专门开发了特定的程序和工具。

再次，为保证结果的准确性，在最终数据处理时，科学家们在全世界范围内设立了两个数据中心，一个是位于美国的麻省理工学院，另一个是位于德国的马普射电所。二者彼此独立地处理数据，也彼此验证和校对，保证了最终结果的准确、可靠。

4.黑洞照片的获得有何意义？

黑洞照片除了直接确认黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据验证了爱因斯坦的广义相对论。在事件视界望远镜的工作过程和数据分析过程中，科学家发现，观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致。

另外，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量。在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

受限于观测分辨率和灵敏度等因素，目前的黑洞细节分析还不完善。未来，随着更多望远镜的加入，将能看到黑洞周围更多、更丰富的细节，从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制，完善人类对星系演化的认知与理解。

5.“黑洞照相館”可以给所有黑洞拍照吗？

在这之前，科学家们通过探测黑洞周围的吸积盘或黑洞喷流产生的辐射间接地探测黑洞的存在。从理论上讲，任何能产生辐射的黑洞都适合拍照，但受技术限制，只能选择拍摄那些看起来非常大的黑洞，这样才有可能看到黑洞周围的细节。

事件视界望远镜此次观测其实选定了两个目标：一个是银河系中心的超大质量黑洞，质量为太阳的450万倍，距离地球2.6万光年;另一个是位于M87星系中心的黑洞，质量为太阳的65亿倍，距离地球5 300万光年。这是目前已知的最大的两个黑洞，而那些质量只有几十个太阳质量的恒星级黑洞尽管距离相对较近，但是因为其质量过小等因素，很难被望远镜捕捉。

6.中国科学家在“黑洞照相馆”中发挥了什么作用？

中国大陆的望远镜并没有直接参与事件视界望远镜的观测，最直接的原因在于中国大陆两个建好的亚毫米波射电望远镜（一个是位于青海德令哈的13.7米望远镜，另一个是位于西藏的CCOSMA望远镜）不具备相关技术的联网功能。

广为人知的中国FAST天眼望远镜也没有机会参与事件视界望远镜的观测。一是因为工作波段不适合，二是因为FAST所处环境湿度较大。由于亚毫米波光子很容易被大气中的水蒸气吸收，所以事件视界望远镜都位于海拔较高且环境干燥的地方，比如ALMA望远镜就位于海拔5 000多米的沙漠中。

位于夏威夷的麦克斯韦望远镜是EHT联合观测网络节点之一，有中国科研机构参与其中，为事件视界望远镜提供了必不可少的观测保障。部分中国科学家也参与了后期的数据分析和讨论，为世界上第一张黑洞照片做出了贡献。（据人民网海外版、经济日报）