黑洞首張照片問世！我們成為史上首批看到黑洞的人類

作 文 君

北京時間2019年4月10日21時，“事件視界望遠鏡”（EHT）項目在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時召開新聞發布會，以英語、漢語、西班牙語、丹麥語和日語發布“事件視界望遠鏡”的第一項重大成果——人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。不少網友激動地表示：有生之年系列！據介紹，為“沖洗”這張黑洞照片，全球200多位科研人員共同努力，用了約兩年的時間。黑洞到底是什么？首張黑洞照片為什么看不太清楚？我們為什么要研究黑洞……關于黑洞，我們有著太多太多的疑問。

黑洞是什么

從廣義相對論中誕生的黑洞，一開始只是個存在于理論物理學中的概念。直到 1968 年，美國天體物理學家約翰·惠勒提出了“黑洞”（black hole）一詞，它才擁有了真正的名字。嚴格來講，黑洞并不是個“洞”，而是宇宙空間內存在的一種特殊天體。黑洞最初是一顆衰老的巨大恒星，有資格成為黑洞的恒星，質量要達到太陽的數十倍以上。恒星發光發熱靠的是內部的核聚變，但恒星中心的“燃料”畢竟有限，也會消耗。等到恒星內部能量不足以支撐起外殼的重量時，在外殼的重壓之下，恒星內核就會開始塌縮。最終，所有物質縮成一個體積接近無限小，而密度超大的點，這便是奇點。黑洞的幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處，奇點質量極大、體積極小，會形成強大引力場（看起來像一個黑色的“勢力范圍”），吸收周圍物質，就連光也會被吸進去，這個“勢力范圍”就被稱作黑洞的半徑或事件視界。至此，黑洞已經誕生。

剛誕生的“嬰兒黑洞”如饑似渴，開始將體積較小的恒星的氣體撕扯到自己身邊。這些氣體在被黑洞吞噬前，會在事件視界外形成一個環裝圓盤，稱為吸積盤，它是科學家定位黑洞的重要依據。當吸積體過多時，一部分氣體會沿著磁場運動，高速噴射強能量物質，這就是噴流，它促進恒星形成，也能調節星系演化。所以，黑洞連接著恒星的死亡與新生，它像是星系秩序的調節者，雖破壞力巨大，但也孕育生機。

天文學家們根據質量將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介于兩者之間）。不管從哪種天文學尺度來說，黑洞的個頭都極小。到目前為止，我們只確認了二十多個黑洞的存在，此外還有四五十個黑洞候選體。要最終真正確認一個天體是否為黑洞，我們還需要做出更多測量與計算。

什么樣的黑洞適合拍照

黑洞周圍的景色這么奇特，按理說應該很好定位，為何人類直到現在才為黑洞拍出照片？黑洞陰影和周圍環繞的新月般的光環是非常非常小的。在拍照設備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞的照片，毫無疑問，我們希望找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比，這也就意味著質量越大，其事件視界越大，因此近鄰的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87*是兩個目前已知最優的候選體。

如何獲取首張黑洞照片

要對黑洞成像，必須要保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節足夠小，從而能保證看得到和看得清。滿足這些條件，最好的工具莫過于1967年出現的甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技術（值得一提的是，該VLBI技術也成功應用于我國嫦娥探月工程的探測器的測定位）。假定在1毫米波長觀測，一個長度為1萬千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領。

但大家可千萬別以為，只要VLBI陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。因為，情況沒那么簡單。如同觀看電視節目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。這種事難不倒科學家們，他們提出了“事件視界望遠鏡”計劃，來對黑洞展開觀測。

2017年4月，事件視界望遠鏡（EHT）項目啟動，這是一個由全球200多位科研人員共同達成的重大國際合作計劃。EHT通過“甚長基線干涉技術”和全球多個射電天文臺的協作，構建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠鏡——事件視界望遠鏡。EHT的“八只眼睛”分別位于美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極，這8個射電望遠鏡有單鏡，也有望遠鏡陣列。科學家們在同一時間，利用不同地方的望遠鏡進行聯合觀測，其有效口徑尺寸可達到地球直徑大小，它們向選定的目標撒出一張大網，撈回海量數據，勾勒出黑洞的模樣。

要給黑洞拍照，8個望遠鏡需能同時觀測到黑洞，每年科學家的觀測窗口期只有10天左右。此次黑洞視界面的觀測只計劃了2017年4月5日—10日這5天，其中兩個晚上對銀河系中心黑洞Sgr A*進行了觀測，剩下的時間對星系M87*黑洞展開了觀測。這次公布的黑洞照片就是M87*的。該黑洞距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。最后，大型計算機集群對數據進行分析、合并，花費將近2年時間，“洗出”黑洞的照片。

首張黑洞照片為何看不清

據科普中國解釋，首先，黑洞自身是不發光的，我們看到的光實際都來自事件視界外面的物質，并不來自黑洞本身，但黑洞的存在會在照片上留下“陰影”。其次，由于黑洞強引力導致的相對論效應，如光線彎曲、引力紅移等，會導致黑洞周圍物質發光的不對稱和扭曲。

此外，事件視界外面的“環境”并不完全干凈，塵埃、氣體、磁場、噴流等因素都會對事件視界外物質的發光產生影響。而且，事件視界望遠鏡的分辨率畢竟還是有限的，圖像的測量和重構過程也很復雜。

中國在這件事上做了什么貢獻

這次首張黑洞照片的拍攝，是EHT數十年觀測、技術和理論工作的積累，也跟全球天文學家的密切合作是分不開的。

在參與這項研究的200多名學者中，來自中國大陸的學者有16名，其中包括中科院上海天文臺8人、云南天文臺1人、高能物理所1人、南京大學2人、北京大學2人、中國科學技術大學1人、華中科技大學1人。另外，還有部分來自中國臺灣地區的學者。