人類捕獲的第一張黑洞照片，來自M87星系。

北京時(shí)間 2019 年 4 月 10 日晚 ，事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）拍下的第一張黑洞照片在萬眾矚目下公布。

EHT 通過“甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)”( very long baseline interferometry, VLBI) 以及全球多個(gè)射電天文臺(tái)的協(xié)作，構(gòu)建起了一個(gè)口徑等同于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，用于黑洞探測(cè)。這次公布的黑洞照片，是根據(jù) 8 臺(tái)分布于南極洲、歐洲、美洲及夏威夷的射電望遠(yuǎn)鏡于 2017 年 4 月里 5 天的觀測(cè)數(shù)據(jù)整合而來的。換句話說，天文學(xué)家們用了 5 天給黑洞“拍照”，又用了 2 年把這張照片“洗了出來”。

我們成為了歷史上第一批看到黑洞真實(shí)姿態(tài)的人類。

Sgr A*，這個(gè)黑洞距離我們“僅有” 24,000 光年，是天空中所有已知黑洞里看上去圓面最大的一個(gè)。由于黑洞引力對(duì)光線的彎折，遠(yuǎn)處一個(gè)黑洞的黑色剪影看上去會(huì)是這個(gè)黑洞本身大小的兩倍。即使如此，Sgr A*  視界的大小看起來也只有區(qū)區(qū) 55 微角秒（microarcsecond，1 微角秒=10^-6 角秒）——就算是遠(yuǎn)在上海的一粒芝麻，從北京看過去也要比 Sgr A* 的視界大出足足 10 倍！

盡管現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡的分辨率已經(jīng)很高，但它們?cè)诒举|(zhì)上仍然受到衍射（diffraction）的限制。當(dāng)光從代表著望遠(yuǎn)鏡口徑的有限孔徑中穿過時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射這種波動(dòng)效應(yīng)。一般而言，一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡造得越大，或者它收集的光線波長(zhǎng)越短，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能夠分辨的最小角度就越小。在紅外線波段（選擇這一波段是因?yàn)榧t外線能夠穿透在可見光波段遮擋 Sgr A* 的塵埃云），能夠分辨 55 微角秒的望遠(yuǎn)鏡口徑必須達(dá)到 7 千米?？梢姽饣蜃贤饩€的波長(zhǎng)較短，在某種程度上能夠降低對(duì)望遠(yuǎn)鏡口徑的要求，但不足以把這一要求降到任何可行的范圍之內(nèi)?？紤]使用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光進(jìn)行觀測(cè)似乎毫無意義——以毫米射電波為例，能分辨 55 微角秒的望遠(yuǎn)鏡口徑必須達(dá)到 5,000 千米。

雖然我們能夠建造出的天文望遠(yuǎn)鏡的口徑已變得越來越大——從最早的 2.5 cm 口徑，到目前最大的 10 m口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還有我國(guó)貴州的 500 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡；然而要想觀測(cè)遙遠(yuǎn)黑洞的附近區(qū)域，依靠目前任何單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

因此，在過去 10 多年時(shí)間里，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們聯(lián)合其他研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開展了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，EHT）項(xiàng)目，全球多地的 8 個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡將同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)。它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)撒出一張大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，為我們勾勒出黑洞的模樣。這些望遠(yuǎn)鏡分別是：

它們多數(shù)都是單一望遠(yuǎn)鏡，比如夏威夷的 JCMT 和南極望遠(yuǎn)鏡；也有望遠(yuǎn)鏡陣列，比如 ALMA 望遠(yuǎn)鏡是由 66 個(gè)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。

EHT項(xiàng)目中的南極望遠(yuǎn)鏡 | 圖片來源：? Daniel Michalik/South Pole Telescope

為了增強(qiáng)空間分辨率，事件視界望遠(yuǎn)鏡使用了“甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)”(VLBI) 技術(shù)，將這 8 個(gè)天文臺(tái)不同地點(diǎn)、同一時(shí)間觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并。在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑的大小，所以，視界面望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于一部口徑為地球直徑大小的射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。

要保證所有 8 個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，留給科學(xué)家們的觀測(cè)窗口期非常短暫，只有 10 天左右。在所有參與觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中，坐落于智利、耗資 140 億美金的 ALMA 毫米望遠(yuǎn)鏡是最為重要的一個(gè)，因?yàn)槠潇`敏度是目前單陣列當(dāng)中最高的，但它的觀測(cè)時(shí)間也是最為寶貴的。限于 ALMA 望遠(yuǎn)鏡滿滿的排班表上一系列擁擠的觀測(cè)計(jì)劃，此次黑洞視界面的觀測(cè)只計(jì)劃了 2017 年 4 月 5 日- 10 日這 5 天，其中兩個(gè)晚上對(duì)銀河系中心黑洞 Sgr A* 進(jìn)行了觀測(cè)，剩下的時(shí)間對(duì)星系 M87 黑洞展開了觀測(cè)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡的分布 | 圖片來源：as.arizona.edu

盡管中國(guó)有很多的射電望遠(yuǎn)鏡，但很遺憾的是大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)頻段都不在毫米或者亞毫米波段，僅有的兩個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡(位于德令哈的 13.7 m 毫米望遠(yuǎn)鏡和位于西藏羊八井的 KOSMA 亞毫米望遠(yuǎn)鏡)，也不具有聯(lián)網(wǎng)干涉功能，所以沒有直接參與。但是中國(guó)還是有著間接貢獻(xiàn)，中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)是東亞核心天文臺(tái)成員之一，而此次參與觀測(cè)的 JCMT 望遠(yuǎn)鏡就是附屬于東亞核心天文臺(tái)。

對(duì)于之前的干涉技術(shù)來說，因?yàn)椴煌h(yuǎn)鏡之間的距離不會(huì)太遠(yuǎn)，不同位置的觀測(cè)數(shù)據(jù)通?？梢詫?shí)時(shí)比較、合并而后得到圖像，科學(xué)家們是有可能實(shí)時(shí)在屏幕上看到圖像的。但對(duì)于此次跨越南北半球的事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，因其所涉及的站點(diǎn)區(qū)域非常廣闊，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將十分龐大：每一個(gè)晚上所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達(dá) 2 PB (1 PB=1024 TB=1048576 GB)， 和歐洲大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量差不多?？紤]到有些區(qū)域（比如南極）的數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較慢，科學(xué)家們?cè)谟^測(cè)時(shí)不會(huì)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)分析，因此更不可能在屏幕上看到黑洞的實(shí)時(shí)圖像。在每一個(gè)觀測(cè)中心，科學(xué)家們將利用提前校對(duì)好的原子鐘時(shí)間，對(duì)每一個(gè)電磁波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行分別標(biāo)定和存盤，等到觀測(cè)結(jié)束之后再匯總比較。

在觀測(cè)結(jié)束之后，各個(gè)站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)會(huì)被匯集到兩個(gè)數(shù)據(jù)中心(美國(guó)麻省理工學(xué)院Haystack 天文臺(tái)和德國(guó)波恩的馬普射電所)。在那里，大型計(jì)算機(jī)集群將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行合并與分析，從而產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于黑洞的圖像。從 2017 年 4 月份到現(xiàn)在，我們等了將近 2 年。

位于巨橢圓星系 M87 中心的黑洞是這次的拍攝目標(biāo)。這個(gè)黑洞距離地球 5,500 萬光年，質(zhì)量相當(dāng)于 64億顆太陽，其剪影的直徑大約是 Sgr A* 剪影的 3/4。

從許多方面來看，M87 都是一個(gè)比 Sgr A* 更有趣的目標(biāo)。它擁有一條精力旺盛的噴流，向外延伸達(dá) 5,000 光年；清晰地分辨發(fā)射噴流的區(qū)域，將為理論學(xué)家理解這些超相對(duì)論性物質(zhì)外流提供關(guān)鍵信息。不同于 Sgr A*，M87 位于北天球，現(xiàn)有的天文臺(tái)在利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)觀測(cè)它時(shí)會(huì)更加得心應(yīng)手（因?yàn)橹挥泻苌賻鬃煳呐_(tái)位于南半球）。

另外，M87 中心黑洞的實(shí)際尺寸是 Sgr A*的 2,000 倍，因此那里發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化可以用天來衡量，而不像 Sgr A* 那樣必須以分鐘來計(jì)算。吸積盤內(nèi)邊緣附近的軌道周期大約是 0.5 到 5 個(gè)星期（具體取決于這個(gè)黑洞的自轉(zhuǎn)）。連續(xù)拍攝 M87 中心黑洞周圍正在發(fā)生的事件，要比拍攝 Sgr A* 的類似過程容易得多。最后，我們和 Sgr A* 之間的星際氣體會(huì)模糊我們獲得的高分辨率圖像，而 M87 很可能不會(huì)受到如此嚴(yán)重的影響。

不論是 Sgr A* 還是 M87，都存在一個(gè)令人興奮的前景，就是有可能拍到時(shí)常能在黑洞輻射中看到的爆發(fā)。如果這些爆發(fā)中有一些是由吸積流中的亮斑所導(dǎo)致的，就像大多數(shù)理論學(xué)家預(yù)期的那樣，他們就能利用這些亮斑，以更高的精度繪制出視界周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)將對(duì)有關(guān)黑洞附近強(qiáng)引力場(chǎng)性質(zhì)的廣義相對(duì)論預(yù)言構(gòu)成最嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

黑洞觀測(cè)正在跨入一個(gè)全新的黃金時(shí)代。在愛因斯坦構(gòu)想廣義相對(duì)論 100 年之后，我們終于有能力檢驗(yàn)這一理論能否在黑洞這種極端環(huán)境中如實(shí)描述引力。直接拍攝黑洞，將為廣義相對(duì)論與其他替代理論的競(jìng)爭(zhēng)提供一塊全新的試驗(yàn)場(chǎng)。

從廣義相對(duì)論中誕生的黑洞，一開始只是個(gè)存在于理論物理學(xué)中的概念。直到 1968 年，美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”（black hole）一詞，它才擁有了真正的姓名。黑洞的幾乎所有質(zhì)量都集中在最中心的“奇點(diǎn)”處，“奇點(diǎn)”在其周圍形成一個(gè)強(qiáng)大的引力場(chǎng)，在一定范圍之內(nèi)，連光線都無法逃脫——這就是黑洞的事件視界（event horizon）。

黑洞的靜態(tài)模擬 | 圖片來源：?EHT Outreach / YouTube

如果覺得這個(gè)概念難以理解，下面這個(gè)例子或許能幫到你。電視上曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣一個(gè)廣告：一名移動(dòng)通信技術(shù)人員跑到偏遠(yuǎn)的地方，沖著他的手機(jī)大喊：“現(xiàn)在你能聽到我嗎？”想象一下這名技術(shù)人員跑到了銀河系的中心，那里潛伏著一個(gè)大質(zhì)量黑洞——人馬座A*（Sagittarius A*，Sgr A*），質(zhì)量相當(dāng)于 450 萬顆太陽。隨著這名技術(shù)人員靠近到黑洞周圍 1,000 萬千米以內(nèi)，我們會(huì)聽到他的語調(diào)越來越緩慢，嗓音越來越低沉，最后變成一種單調(diào)的耳語聲，而且接收效果會(huì)越來越差。如果我們目送他落向黑洞，隨著他逐漸被“凍結(jié)”在黑洞邊界（也就是事件視界）附近的時(shí)間里，我們會(huì)看到他的影像變得越來越紅，越來越暗。

不過，這名技術(shù)人員本人將體會(huì)不到任何時(shí)間變慢的感覺，也不會(huì)在事件視界的位置上看到任何稀奇古怪的東西。只有等他聽到我們說“不，我們聽不到你說話！”的時(shí)候，他才會(huì)意識(shí)到自己已經(jīng)穿過了視界。他根本不可能與我們分享他最后的觀感——沒有任何東西能從事件視界內(nèi)部的極端引力中掙脫出來。穿過視界一分鐘后，黑洞深處的引力會(huì)把他撕個(gè)粉碎。

這個(gè)想象有點(diǎn)恐怖，而且天文學(xué)家也不可能真的派一個(gè)技術(shù)員去接近黑洞。可是既然天文學(xué)家們根本看不到黑洞，他們是怎么確定“ 黑洞就在那里”的呢？

直接觀測(cè)黑洞困難重重。首先，不管從哪種天文學(xué)尺度上來說，黑洞的個(gè)頭都極小。已知的黑洞可以分成兩個(gè)大類：一類是恒星量級(jí)的黑洞，它們是大質(zhì)量恒星死亡后的殘骸，質(zhì)量通常介于 5~15 倍太陽之間；另一類是超大質(zhì)量黑洞，位于星系的中心，質(zhì)量大約是太陽的數(shù)百萬倍到上百億倍。一個(gè) 15 倍太陽質(zhì)量的黑洞，事件視界的直徑僅有 90 千米——在星際距離上小到了根本無法分辨的程度。就算是一個(gè) 10 億倍太陽質(zhì)量的超大黑洞，把它放到海王星軌道之內(nèi)也顯得綽綽有余。

其次，黑洞細(xì)小的個(gè)頭和強(qiáng)大的引力會(huì)產(chǎn)生極快的運(yùn)動(dòng)——在一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞的邊緣，物質(zhì)完成一整圈公轉(zhuǎn)所用的時(shí)間甚至超不過一微秒。要觀測(cè)變化如此迅速的現(xiàn)象，需要使用靈敏度極高的設(shè)備。

最后，只有很小一部分黑洞周圍擁有大量氣體可供吸積，因此能夠被我們看到。

科學(xué)家們只能采用一些間接方式來探測(cè)黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。在某些時(shí)候，恒星量級(jí)的黑洞會(huì)存在于一個(gè)恒星周圍，將恒星的氣體撕扯到自己身邊，產(chǎn)生一個(gè)圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體盤，即吸積盤。當(dāng)吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場(chǎng)的作用下被沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向拋射出去，形成噴流。吸積盤和噴流兩種現(xiàn)象都因氣體摩擦而產(chǎn)生了明亮的光與大量輻射，所以很容易被科學(xué)家探測(cè)到，黑洞的藏身之處也就暴露了。

到目前為止，我們只確認(rèn)了二十多個(gè)黑洞的存在，此外還有四五十個(gè)黑洞候選體。要最終真正確認(rèn)一個(gè)天體是否為黑洞，我們還需要做出更多測(cè)量與計(jì)算。要探測(cè)一個(gè)從幾十萬個(gè)太陽質(zhì)量到幾十億甚至上百億個(gè)太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，挑戰(zhàn)將更大，科學(xué)家們?yōu)榱舜_認(rèn)銀河系中心黑洞 Sgr A* 以及 M87 黑洞的存在，著實(shí)費(fèi)了不少力氣。

參考資料：

給黑洞拍張“大頭照”，埃弗里·E·布羅德里克（Avery E. Broderick）、亞伯拉罕·洛布（Abraham Loeb），《環(huán)球科學(xué)》2010年1月刊；
視界面望遠(yuǎn)鏡：為黑洞拍下史上第一張“照片”，茍利軍、黃月，《物理》2017年11月刊；

https://www./event-horizon-telescope-is-trying-to-photograph-black-holes.html