黑洞首张照片问世！我们成为史上首批看到黑洞的人类

作 文 君

北京时间2019年4月10日21时，“事件视界望远镜”（EHT）项目在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京同时召开新闻发布会，以英语、汉语、西班牙语、丹麦语和日语发布“事件视界望远镜”的第一项重大成果——人类有史以来获得的第一张黑洞照片。不少网友激动地表示：有生之年系列！据介绍，为“冲洗”这张黑洞照片，全球200多位科研人员共同努力，用了约两年的时间。黑洞到底是什么？首张黑洞照片为什么看不太清楚？我们为什么要研究黑洞……关于黑洞，我们有着太多太多的疑问。

黑洞是什么

从广义相对论中诞生的黑洞，一开始只是个存在于理论物理学中的概念。直到 1968 年，美国天体物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”（black hole）一词，它才拥有了真正的名字。严格来讲，黑洞并不是个“洞”，而是宇宙空间内存在的一种特殊天体。黑洞最初是一颗衰老的巨大恒星，有资格成为黑洞的恒星，质量要达到太阳的数十倍以上。恒星发光发热靠的是内部的核聚变，但恒星中心的“燃料”毕竟有限，也会消耗。等到恒星内部能量不足以支撑起外壳的重量时，在外壳的重压之下，恒星内核就会开始塌缩。最终，所有物质缩成一个体积接近无限小，而密度超大的点，这便是奇点。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，奇点质量极大、体积极小，会形成强大引力场（看起来像一个黑色的“势力范围”），吸收周围物质，就连光也会被吸进去，这个“势力范围”就被称作黑洞的半径或事件视界。至此，黑洞已经诞生。

刚诞生的“婴儿黑洞”如饥似渴，开始将体积较小的恒星的气体撕扯到自己身边。这些气体在被黑洞吞噬前，会在事件视界外形成一个环装圆盘，称为吸积盘，它是科学家定位黑洞的重要依据。当吸积体过多时，一部分气体会沿着磁场运动，高速喷射强能量物质，这就是喷流，它促进恒星形成，也能调节星系演化。所以，黑洞连接着恒星的死亡与新生，它像是星系秩序的调节者，虽破坏力巨大，但也孕育生机。

天文学家们根据质量将宇宙中的黑洞分成三类：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）。不管从哪种天文学尺度来说，黑洞的个头都极小。到目前为止，我们只确认了二十多个黑洞的存在，此外还有四五十个黑洞候选体。要最终真正确认一个天体是否为黑洞，我们还需要做出更多测量与计算。

什么样的黑洞适合拍照

黑洞周围的景色这么奇特，按理说应该很好定位，为何人类直到现在才为黑洞拍出照片？黑洞阴影和周围环绕的新月般的光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞的照片，毫无疑问，我们希望找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为对象。

由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也就意味着质量越大，其事件视界越大，因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*和近邻射电星系M87的中心黑洞M87*是两个目前已知最优的候选体。

如何获取首张黑洞照片

要对黑洞成像，必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而能保证看得到和看得清。满足这些条件，最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术（值得一提的是，该VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位）。假定在1毫米波长观测，一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的分辨本领。

但大家可千万别以为，只要VLBI阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。因为，情况没那么简单。如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。这种事难不倒科学家们，他们提出了“事件视界望远镜”计划，来对黑洞展开观测。

2017年4月，事件视界望远镜（EHT）项目启动，这是一个由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划。EHT通过“甚长基线干涉技术”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜——事件视界望远镜。EHT的“八只眼睛”分别位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极，这8个射电望远镜有单镜，也有望远镜阵列。科学家们在同一时间，利用不同地方的望远镜进行联合观测，其有效口径尺寸可达到地球直径大小，它们向选定的目标撒出一张大网，捞回海量数据，勾勒出黑洞的模样。

要给黑洞拍照，8个望远镜需能同时观测到黑洞，每年科学家的观测窗口期只有10天左右。此次黑洞视界面的观测只计划了2017年4月5日—10日这5天，其中两个晚上对银河系中心黑洞Sgr A*进行了观测，剩下的时间对星系M87*黑洞展开了观测。这次公布的黑洞照片就是M87*的。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。最后，大型计算机集群对数据进行分析、合并，花费将近2年时间，“洗出”黑洞的照片。

首张黑洞照片为何看不清

据科普中国解释，首先，黑洞自身是不发光的，我們看到的光实际都来自事件视界外面的物质，并不来自黑洞本身，但黑洞的存在会在照片上留下“阴影”。其次，由于黑洞强引力导致的相对论效应，如光线弯曲、引力红移等，会导致黑洞周围物质发光的不对称和扭曲。

此外，事件视界外面的“环境”并不完全干净，尘埃、气体、磁场、喷流等因素都会对事件视界外物质的发光产生影响。而且，事件视界望远镜的分辨率毕竟还是有限的，图像的测量和重构过程也很复杂。

中国在这件事上做了什么贡献

这次首张黑洞照片的拍摄，是EHT数十年观测、技术和理论工作的积累，也跟全球天文学家的密切合作是分不开的。

在参与这项研究的200多名学者中，来自中国大陆的学者有16名，其中包括中科院上海天文台8人、云南天文台1人、高能物理所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人、华中科技大学1人。另外，还有部分来自中国台湾地区的学者。