首张黑洞照片诞生记

黑洞是广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作事件视界。四大洲、8个观测点组成视界面望远镜，让黑洞首次有了一张“正面照”。

终于，黑洞“现身”了！

北京时间4月10日晚9时，在中国上海和台北、美国华盛顿、智利圣地亚哥、日本东京、比利时布鲁塞尔同步举行的新闻发布会上，人类有史以来获得的第一张黑洞照片被公布。照片“主角”是射电星系M87*的中心黑洞。

神秘的黑洞背后有着太多秘密等待揭示，令一代代科学家为之着迷。首张黑洞照片透露了哪些信息？天文学家如何费尽周折为黑洞“拍照”，一步步“逼近”黑洞？这一图像的成功捕获意味着什么？

黑洞从预言走到眼前

黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体，在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。它具有超强引力，即便光也无法逃脱它的势力范围——这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境，让时空弯曲，并将周围的气体吸进来。在此过程中，气体的引力能转化成热能，气体的温度变得很高，会发出强烈的辐射。

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论，以其天才的想象力预言了“黑洞”的存在。一年后，德国天文学家卡尔·史瓦西发表了第一个广义相对论方程的完全解，计算出了“史瓦西球体”的出现，这一版本的“黑洞”不带电荷，也不旋转。此后很长一段时间，科学家们尝试各种办法来验证“黑洞”是否真实存在。

在此次拍照前，科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在：其一，恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞的强引力会对周围的恒星、气体会产生影响，可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在;其二，黑洞会吸积其势力范围里的一切物质，通过它“吃东西”发出的光来判断黑洞的存在;其三，通过观测黑洞成长的过程“看”见黑洞。

种种类似的证据，无不说明黑洞的真实存在。2015年，人类第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声，但这些都还是间接的。

天文学家们将宇宙中的黑洞根据质量分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍至上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。黑洞的势力范围，称作黑洞半径或事件视界。

广义相对论预言，由于黑洞的存在，人们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影，周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。黑洞阴影则是人类能看到的最接近黑洞本身的图像。

在天文学家捕获的首张黑洞照片中，黑洞仿佛沉浸在一片类似发光气体的明亮区域中。“我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。”荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克解释，“这个暗影的形成，源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。

视界面望远镜“大展拳脚”

仅通过间接信息来观测黑洞显然已经无法满足科学家们的好奇心了，他们迫切希望直接“看”到黑洞。

中科院上海天文台研究员路如森说：“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉证据。这就必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而保证看得到和看得清。”但满足上述所有条件，望远镜的口径需要像地球大小。

一个难以想象的科学计划诞生了！2017年4月5日，由位于南极、智利、墨西哥、美国、西班牙的8台亚毫米波射电望远镜同时对黑洞展开观测，利用甚长基线干涉测量技术（VLBI）将这8台望远镜构建成一个口径等同于地球直径的超级“虚拟”望遠镜——视界面望远镜（EHT）。

“吸积盘的辐射主要是在可见光、紫外以及X射线波段。”中科院国家天文台研究员、黑洞研究团组首席科学家苟利军说，但在吸积盘之外，黑洞周围还会存在不少高速运动的自由电子，这些速度接近光速的电子在电磁场的作用下会产生射电波段的同步辐射，从而为视界面望远镜“拍照”创造了条件。

“本次观测黑洞的亚毫米波段是射电波段中最短的部分，而虚拟望远镜的口径也扩大到了地球直径大小，使虚拟望远镜的分辨率大大提升，因此可以进行观测黑洞的尝试。”苟利军如此表示。

地球直径大小的望远镜是如何炼成的？简单说来，VLBI是把几个小望远镜联合起来，达到一架大望远镜的观测效果。“利用VLBI技术将多台望远镜组网观测时，虚拟望远镜的口径大小取决于其中距离最远的两台望远镜之间的距离。”中科院国家天文台研究员陈学雷表示。

从参与观测的8台望远镜所处的地理位置来看，西班牙格拉纳达市与美国夏威夷莫纳基亚山距离超过10 000千米，与地球直径相当。

“两台望远镜构成一条基线。最长的基线能提供目标天体最细致的细节，而参与组网的望远镜越多，基线就越多，就能得到质量越好的合成图像，让人们看到目标天体在不同尺度的细节。”陈学雷说。

路如森说：“这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”

选择“模特”有学问

在组建大型虚拟望远镜的同时，科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。

黑洞阴影实际看起来的大小主要与两个因素有关——实际的大小、黑洞到地球的距离。一个1米之外的乒乓球（直径40毫米）和一个百米之外的4米长杆看起来一样高。所以在望远镜拍照能力有限的情况下，想要拍摄一张好照片，一定要找一个“靠谱”的拍照模特。

科学家们甄选之后，决定将近邻的两个黑洞作为主要目标：一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大质量黑洞。

中科院上海天文台台长沈志强说：“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也意味着质量越大，其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大，它们的事件视界在地球上看起来也是最大的，可以说是目前最优的成像候选体。”

Sgr A*是地球上能够观测到的最大黑洞，质量是400多万倍太阳质量，对应的视界半径是1300多万千米，视边界的半径约3300多万千米，它到地球的距离是2.6万光年，视边界看起来的角尺寸约为50微角秒。要知道，从地球上看满月的尺寸约为30角分（1角分等于60角秒），50微角秒就相当于从地球上看月球上一个橘子大小的物体。

M87*以“胖”著称，质量更为巨大，达到了60亿个太阳质量。尽管其与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的事件视界对科学家们而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至还要稍微大一点，黑洞阴影的大小约为40微角秒。

值得一提的是，采用不同方法对M87*质量进行测量，所得结果差了近两倍，这意味着黑洞阴影的大小有可能小于40微角秒，甚至低于此次EHT所能分辨的能力极限。

沈志强介绍，M87*质量巨大，又相对接近地球，是地球上看过去角直径最大的黑洞之一，也因此成为EHT的一个完美目标。

照片“冲晒”两年终面世

EHT 2017年就开始给黑洞拍照，而到了2019年才发布成果，这张看似普通的照片为何“冲晒”了两年时间？事实上，这张照片得来颇为艰难。路如森说，首先观测窗口期非常短暂，另外望远镜观测到的数据量非常庞大，光是处理数据就要花费半年至一年时间。

在2017年的全球观测中，由于每台EHT距离相隔较远，甚至加入了南极和智利的望远镜，要保证全球的EHT同步观测两个黑洞，留给科学家的观测窗口期就非常短暂，每年大约只有10天时间。2017年的最佳观测期是在4月5日至14日之间。

“要知道，我们是全球8大望远镜同时观测，虽然这些射电望远镜没有实际连接，但借助氢原子钟精确计时，各台望远镜实现了数据记录的同步。”沈志强表示，例如在南极观测的数据，“南极并不是任何时间都可以去的，比如我们4月去观测，可能9月才能再去拿回数据，这样的话，时间又延长了，但这个等待过程，也是非常令人期待的。”

据悉，EHT项目每晚产生数据量可达2PB（1PB=1000TB=1 000 000 GB），相当于欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量。由于是异地观测，科学家无法实时分析比对数据，这些数据都被存储在高性能的充氦硬盘上，随后空运至马克斯·普朗克射电天文研究所和麻省理工学院海斯塔克天文台。在那里，还要被称作相关处理机的高度专业化超级计算机对各个台站数据进行处理。最后，借助合作开发的新型计算工具，这些数据被精心处理并用来成像。完整的分析和生成過程花费了科学家半年至一年的时间。

首张照片开启直接观测黑洞序幕

百闻不如一见，一图抵千言。美国哈佛·史密森天体物理学中心的杜勒曼指出，这是迄今为止证明黑洞存在的最强证据。

从图像上首先看到的是黑洞的阴影，亮度亮的地方和中心暗的区域，这次的成像帮助人们直接确认了黑洞的存在。苟利军指出，在EHT的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和广义相对论所预言的几乎完全一致，“令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大”。

让科学家们兴奋不已的远不止于此。“黑洞是时空尽头，存在一些我们想破解的谜团。首次给黑洞拍照可能帮助我们朝着解开这些谜更进一步。”海诺·法尔克如此表示。

照片不仅印证了爱因斯坦广义相对论，更开启了直接观测黑洞的序幕。苟利军认为，在此之前，科学家精确测量黑洞质量的手段非常复杂，观测、探测黑洞的方式非常间接，并不是直接的观测方式，而这次就对M87中心黑洞质量做出了一个独立的测量。

路如森表示，目前，对2017年M87中心黑洞的观测数据仍在继续分析中，研究人员希望通过对辐射的偏振研究来获取黑洞周围的磁场性质，这对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要，能帮助人们理解喷流是如何发生的。

美国哈佛大学物理学教授安德鲁·施特罗明格则表示，黑洞是一个非常活跃的地方，那里发生了很多事。尤其当人们将量子力学效应考虑在内时，许多问题依然令人困惑。黑洞照片将揭示那里的“生机”，提供更多思路。

哈佛大学数学系教授丘成桐指出，对黑洞的直接观测对理解我们所处的时空至关重要，黑洞照片的细节具有历史性的重要意义。（本刊综合）