揭开黑洞的面纱

黑洞，宇宙中的当红“大咖”，天文学界、物理学界的“宠儿”。自20世纪开始，人们对黑洞的探秘就从未停止过。然而，经过全球200多位科学家数年的努力，直到今年的4月10日，人们才真正看到第一张黑洞照片。在此之前，黑洞所有的图片、视频都是人们根据自己的猜测和想象画出来的。

为什么要给黑洞拍照？

虽然现代意义上的黑洞已经被预言了一百年，天文学家也发现了很多黑洞存在的证据，比如黑洞吞噬恒星时发出的光，黑洞碰撞时发出的引力波等，但这些都是“间接证据”。只有拍摄到黑洞核心区域——事件视界（一种时空的曲隔界线，可简单理解为黑洞的边界）的剪影，才是黑洞存在最直接的证据。给黑洞拍照除了能证明黑洞存在，还有助于我们了解星系中心黑洞的质量、自旋、吸积率、周围环境和磁场、成长历史等天体物理问题。人们还可以根据黑洞照片中黑洞周围发光气体的形态，推测出黑洞周围时空的弯曲情况，这有助于人们进一步了解引力理论。

给黑洞拍照有多难？

在回答这个问题之前首先要了解什么是黑洞。黑洞是一种天体，拥有巨大的质量、近乎于零的体积、吞噬一切的引力和无限高的时空曲率，没有任何东西能够从黑洞“嘴”里逃脱，即使是宇宙中速度最快的光也无法逃离黑洞。我们之所以能看到物体，是因为有光，但黑洞不但不发光而且还吸收光，所以我们是无法看到黑洞的，只能看到其他东西掉到黑洞事件视界之前发出来的信号。因此黑洞在照片里呈现的形态其实是个影子，只有黑洞附近的环境有光亮时，这个影子才能凸显出来。但因为宇宙背景本身是黑的，所以要等围绕黑洞旋转的恒星气体，被黑洞吸入，产生大量的光和热时，我们才能拍摄到黑洞的影子。而且黑洞的体积很小，一个和太阳质量相当的黑洞半径只有三公里，地球附近也没有已知黑洞，因此拍摄黑洞就相当于在地球上拍摄月球上的一个乒乓球，难度可想而知。

怎样才能获得一张黑洞照片？

首先科学家们要挑选一个看起来尽可能大的目标作为拍照对象，他们需要在“黑洞够大”和“离我们近”这两点间找到平衡，于是银河系中心的超大黑洞人马座A*，以及5000万光年以外M87星系中心的另一个超大黑洞成为了本次拍摄的目标。其次是建设合适的望远镜。假如人类有一台超大的望远镜，它的口径跟地球的直径相当，那么理论上就能隐约看清银河系中心超大黑洞留下的剪影。只可惜，我们不可能把整个地球改造成一台望远镜。但如果能把分散在世界各地的多台射电望远镜联合起来，让它们在同一时间观测同一个目标，就能拥有像地球那么大的望远镜的分辨能力了。于是科学家们发明了一种技术，通过比较距离很远的几台望远镜记录的电磁波相位的差异，来反推天体的图像（也就是基线干涉技术）。通过这个技术，若干台相距几公里的望远镜可以联合成一个阵列，达到一台口径几公里的望远镜的分辨率。2012年，天文学家在美国亚利桑那州举行了首次国际会议，将分散在欧洲、北美、南美、太平洋和南极的8台射电望远镜联合在一起，组合成了一台口径相当于地球大小的“事件视界望远镜”（EHT）。

由于多台望远镜之间的钟差（即设备与标准卫星的时钟差）、望远镜自身产生的微小改变等问题都会影响到观测精度，且拍照对象黑洞本身也在不断变化，所以科学家们需要探索新方法对“相机”进行校准，建立模型，以提升合成图像的质量和精度。经过合并分析8台望远镜数据，与计算机模拟结果进行比对等复杂的“照片冲洗”过程后，科学家们才最终得到了黑洞的圖像。

我们有可能拍摄到更多的黑洞吗？

此后我们肯定会得到这两个黑洞更清晰的照片，因为会有更多的望远镜加入干涉阵列，也会发明更先进的观测技术。但未来，能否拍到其他的黑洞，就要看望远镜分辨率能否大幅提升了。EHT现在已经很难再提升分辨率了，要想大幅提升望远镜分辨率，可能需要用上海天文台叶叔华院士提议的太空射电望远镜，或者在月球背面造一个望远镜。无论如何，能见证第一张黑洞照片问世是我们的幸运，希望未来我们能揭开更多神秘天体的“面纱”。