黑洞“拍照”指南

谢七七

舞台上，结义、饮酒、醉狮自拍、拍美食、拍美景……比起普通人“一机在手，天下我有”的拍照热情，科学家可能更热衷于拍摄神秘的黑洞——尽管百年来从未看过它的真面目。你也许会反驳：“我看过很多黑洞照片！”事实上，你看过的黑洞照片，大概率是科学家基于一些数据，让艺术家绘制的模拟图像。虽说天文学家相信几乎所有的星系中央都存在黑洞，但想为黑洞拍张照，还真没那么容易！

我们知道黑洞这个“模特”吧，它强大的引力场会引起时空扭曲，连光都会吸进去，真就是黑乎乎一片了，还怎么拍？别急，在黑洞附近有一个范围称为事件视界，视界里面的任何物体都无法逃脱黑洞的引力，但视界外面的光还是可以逃脱的。而黑洞附近的恒星由于受到黑洞巨大的引力作用，有些物质会被黑洞吸引，绕着它转啊转，还会发光发热，就形成了一条发光的“腰带”，被称为吸积盘。而我们真正要拍的就是视界外面的吸积盘。下面，就跟着科学家学学怎么给黑洞“拍照”吧！

事实上，我们给黑洞拍照有两个最佳“模特”：质量大且离我们较远的M87星系中心黑洞和银河系中心的人马座A*黑洞。前者距离我们5500万光年，后者是距地球最近的超大质量黑洞，离我们也有约26000光年。要拍它们，就好比站在地球上拍月球上的一个甜甜圈。

拍摄M87星系中心黑洞，射电望远镜的口径至少要达到8000千米，比地球半径还要长得多，难道要建一台比地球还大的望远镜吗？当然不是，聪明的科学家总有办法：既然一台望远镜达不到这么大口径，可不可以使用多台望远镜达到这个目的呢？比如，用两台相距一定距离的射电望远镜组成网络，它们就合为一个“镂空”的反射式望远镜，二者之间的距离就相当于“镂空”望远镜的口径了。

按照这个思路，科学家利用甚长基线干涉测量技术，将智利-阿塔卡马毫米望远镜波阵、美国夏威夷-亚毫米波望远镜、南极-SPT望远镜波阵、美国亚利桑那州-SMT望远镜、西班牙-毫米波望远镜、美国夏威夷-麦克斯韦望远镜、墨西哥 -毫米波望远镜、智利-阿塔卡马探路者实验望远镜这8台射电望远镜或阵列组成了一架虚拟的、地球尺寸的反射式望远镜，即事件视界望远镜。这是第一个专为获取黑洞影像的实验计划，简称EHT（事件视界望远镜）。

2017年4月，足以看清月球上一个甜甜圈的事件视界望远镜，正式对准了M87星系中心黑洞和银河系中心的人马座A*黑洞。8台射电望远镜都位于高海拔处，因为分布在全球各地，科学家会定个闹钟，统一时间去观测黑洞。当然，他们定的闹钟一点也不普通，那是著名的氢原子钟，数亿年才误差1秒，足以保证观测的同步。

按下快门，只需要短短1秒，而EHT项目对两个黑洞“模特”的拍摄也仅持续了10天。真正艰难的步骤，还在后头。

10天的观测，汇总的数据已经非常庞大，差不多有3500TB！这么大的内存，网络肯定传输不了，只能通过硬盘来传输。然而，即使用1TB的特制硬盤来传输，也需要3500个硬盘，叠起来有15层楼那么高。数据处理的工作量之庞大可想而知。

由于南极洲有禁飞期，这些数据等了好几个月才从南极运出来，送到美国的麻省理工学院和德国的马克思—普朗克射电天文研究所。仅处理M87星系中心黑洞的观测数据，科学家就花了2年时间。

如同刑侦画师通过受害者的描述给罪犯画像一样，多个数据处理小组开始为M87星系中心黑洞“画像”。每个小组用超级计算机合成和分析数据，编纂了前所未有的黑洞模拟数据库，与观测结果进行严格比对，一点一点从不同角度推算、还原“模特”的真实样貌，直到提取出数千张照片平均后的效果，黑洞照片才算真正完成。

这一画就画了2年。2019年，M87星系中心黑洞照片曝光。人们惊喜地发现，它就像个对称的甜甜圈。又经过了漫长的3年“冲洗”，我们银河系中心黑洞的第一张真实图像，或者说是黑洞周围环境的直接图像终于呈现了。漆黑一团的黑洞周围环绕着一圈黄色发光物质，细瞧，还是像个甜甜圈呢，只是看起来不那么对称了。

你可能觉得奇怪，为什么银河系中心的人马座A*黑洞距离地球更近，照片却比遥远的M87星系中心黑洞“冲洗”出来晚了3年？而且还那么模糊？这是因为射电望远镜观测黑洞时，有大量气体和尘埃干扰，造成观测时光线散射，像云朵遮住了太阳一样，看起来就模模糊糊的。而且，黑洞周围吸积盘里的气体，绕转M87星系中心黑洞一周需要几天到数周时间，但绕转小很多的人马座A*黑洞一周只需要几分钟。这意味着，人马座A*黑洞周围绕转气体的亮度和图案，也在更快速地变化着，给它拍照就像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片，很容易出现重影，“冲洗”处理也更难了。

尽管困难重重，耗时长久，科学家最终还是拍到了这个位于我们星系中心的超大质量黑洞，再次印证了爱因斯坦的广义相对论。现在，你学会怎样给黑洞“拍照”了吗？据说，科学家还打算拍摄一部银河系中心黑洞的“电影”，让我们拭目以待吧。