史上第一张黑洞照片

豌豆皮

新闻导读：2019年4月10日，北京时间晚上9点，黑洞事件视界望远镜（EHT）合作组织在全球不同的城市——日本东京、丹麦林格比、比利时布鲁塞尔、美国华盛顿、西班牙圣地亚哥，还有中国的上海和台北，同步发布了史上第一张黑洞照片，为我们揭示了距离地球5350万光年之远的巨椭圆星系M87中心埋藏的超大质量黑洞的真面目。黑洞再也不是只存在于理论、推测和概念图中的天体，人们终于可以“眼见为实”，亲眼见到它的真实形象。

一起来读图

这张黑洞的照片并不像我们生活中常见的照片那样纤毫毕现，而是显得有些模糊。这是因为拍摄的目标距离我们实在太远。虽然M87星系中心的黑洞推测足有64亿个太阳的质量，·事件视界的半径达到180亿千米，但在5350万光年的距离尺度上，它的可视大小只相当于月面上的一只冰红茶瓶盖。

事件视界

黑洞的真实表面，也就是所谓“事件视界”，是以黑洞的质量聚集点——奇点为中心的一道时空边界，在这个边界以内的一切，不管是物质、辐射还是信息，都无法来到边界外。天文学家把黑洞定义为在这个边界内的所有事件的集合，所以它叫“事件视界”。

当然黑洞本身不发光，也没有任何光线能从它的事件视界内部跑出来，我们只能在它周围的明亮背景上看到它形成的阴影。阴影比黑洞本身大，根据广义相对论可以算出来，阴影直径大约是事件视界半径的五倍，所以要看到它的难度稍微“降低”了一点，相当于看到月面上的一只苹果，需要的分辨率是哈勃空间望远镜（HST）的1000多信。没有任何的单体望远镜能够达到这样的分辨率，所以黑洞事件视界望远镜并不只是一个望远镜，它是由包括中国在内的十几个国家/地区的200多名科学家组成的一个国际合作计划，使用位于世界6个地方的7台射电望远镜，通过后期综合处理每台望远镜收到的信号，达到一台综合口径相当于地球直径的巨型望远镜的观测效果。

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其实，参加EHT计划的望远镜一共有8台，但位于南极的那一台望远镜由于位置所限看不到目标黑洞。

这次的照片是在1.3毫米的射电波段拍摄的，极限分辨本领大约是目标黑洞阴影宽度的一半，这才获得了图中的影像。不过，综合口径“相当于”地球直径并不等于真的有一台那么巨大的望远镜，毕竟能够接收信号的面积还是只有那7台望远镜的面积，所以信号强度很弱，虽然看见了，但还是比较模糊。研究人员需要精确校准来自不同望远镜的信号在传输过程中的时间差，再对相当于几百万部高清电影的海量数据进行处理和分析，因此从拍摄到发布照片，经历了刚好两周年时间。

照片中的黑洞隐藏在中央的阴影中，周围是一片明亮的背景，这是黑洞周围的吸积盘或喷流发出的光。黑洞周围的气体受到黑洞引力的作用，朝高速旋转的黑洞落下，就会围绕着黑洞形成一个吸积盘。吸积盘上的气体在下落的过程中不断加速，绕着黑洞高速运动，最终的速度可以接近光速。物质以这样的速度相互摩擦，温度非常高，发出强烈的辐射，在望远镜的视野里就显得非常明亮。黑洞还会朝两极方向喷出高速运动的粒子，速度可以达到光速的百分之几十，也会显得很明亮。M87星系中心的黑洞，正是由于长度达数千光年的笔直的喷流，才在一百年前就引起了人們的注意。在吸积盘和喷流产生的明亮背景映衬下，吸收进入自己的一切光线的黑洞才能被我们看见。

为什么黑洞的阴影比事件视界要大呢？因为太接近事件视界边缘的光，虽然能够离开黑洞而不被黑洞吞噬，但波长会被黑洞的引力极端拉长，携带的能量也几乎全消耗在逃离黑洞的过程中，所以变得非常暗，无法在我们的望远镜里成像，成为黑洞周围的阴影。而距离黑洞边界一定距离的光呢，不但能够逃掉，在逃离的过程中还需要绕着黑洞跑很多圈，积累的亮度特别高。所以虽然吸积盘和喷流的宽度和长度是黑洞的许多倍，但在这张照片上，我们只能看到阴影周围的一道窄窄的光环。光环中汇聚的不但有来自黑洞周围的光，还有来自黑洞“背后”，被它的引力所弯曲的光。光环一边宽、一边窄，一边亮、一边暗，这是由黑洞的自转导致的，从照片中的情况看，这个黑洞是一枚从下往上转的“上旋球”。从黑洞阴影的形状可以印证广义相对论的引力理论，看来在事件视界附近，我们所知的引力理论还没有失效。

未来

M87中心的黑洞只是事件视界望远镜的目标之一，另一个目标是位于银河系中心的黑洞。虽然它与我们的距离“只有”26万光年，但银心黑洞的质量小得多，在视野中呈现出来的面积只比M87的黑洞稍大一点点。在未来，随着加入观测的望远镜数量增多，观测用的波长也有望从1.3毫米缩短到O.8毫米，以同样的综合口径可以得到更高的精度和更明亮的图像，由此探寻在黑洞表面附近的各种细节。天文学家希望能更细致地研究吸积盘和喷流的形成过程，再在事件视界附近的强引力场中验证更多广义相对论的预言。