洞若观火 —— 黑洞，我们看到你了！_风闻

原创：牧夫天文

原创：王婧彧

校对：王茸 杨伯顺 郭皓存

黑暗若只如初见，光亮塌陷于边缘。

——我们茸姐深夜迸发的诗情           

EHT的重大成果

人类历史上首张黑洞照片公布了！

M87星系中心的特大质量黑洞，由EHT拍摄Credit:EHT

北京时间2019年4月10日21点，EHT（事件视界望远镜，Event Horizon Telescope）项目举行了成果发布会。会上公布了上面这张过去几小时里刷屏朋友圈的黑洞照片。其成果以六篇通讯的形式发表在4月10日的《天体物理学杂志通讯》上。

EHT是一个联合了全世界各个国家的项目，图为昨日一些发布会的现场。      

是不是觉得跟想象中的不太一样？图片如此模糊不是任何人为的失误，而是EHT已经尽全力的结果。

这张照片所拍摄的是M87星系中心的特大质量黑洞。望远镜无法拍摄到来自黑洞本身的光（因为黑洞不发光），只能拍摄到黑洞在照片上留下的“黑影”，而外面一圈明亮的环则是高速旋转的吸积盘。由于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同，“黑影”的大小也不太一样。我们看到的照片中，“黑影”的大小约为2.5倍史瓦西半径（作者注：史瓦西半径指没有自旋的黑洞的事件视界半径）。

当我们看向黑洞的“照片”我们到底在看什么？ Credit: Veritasium

EHT此次公布的发现让人类在黑洞边缘这样引力极强的环境下验证广义相对论，是爱因斯坦的又一次胜利！                 

黑洞的结构

Credit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann

谁是本次EHT拍摄模特

本次发布的照片的主角是位于M87超巨椭圆星系中心的特大质量黑洞，约为太阳质量的65亿倍，距离地球约5500万光年，是已知的质量最大的黑洞之一。EHT还拍摄了位于银河系中心的特大质量黑洞人马座A*，它的质量约为太阳的400万倍，距离地球2.6万光年。但是由于M87星系中的黑洞体积较大，且旋转较慢，更易于观测，所以这次M87星系中心黑洞的“照片”先被“洗”出来。

2012年，由LOFAR（射电天文低频阵）拍摄的M87星系（左）。

右边为作为比较的光学波段图像。

Credit:Francesco de Gasperin / LOFAR collaboration

EHT如何克服千难万险拍到黑洞真容

要问什么最难拍，黑洞当仁不让。拍摄黑洞有以下几个难点：

第一，虽然星系中心的黑洞很大，但它们极其遥远。从地球上观测M87星系中的黑洞就如同从地球表面观测月球上的一个橙子。而人类从地球表面拍摄精度最高的月球照片上的1个像素约等于150万个橙子。若想观测M87中心的黑洞，我们需要一口和地球一样大的望远镜。因此，直接观测黑洞一度被认为是不可能的。

然而科学家们总是以一种无中生有式的智慧为我们创造了一个奇迹。EHT通过将世界各地的八座射电望远镜相连接，产生了一个望远镜网络。这个技术叫做VLBI（甚长基线干涉测量技术），需要每个望远镜的时间达到完全的同步。

因此，每个望远镜都配有先进的原子钟，使得世界各地的望远镜可以在同一时刻接收同一射电源的信号，各自记录下来，然后将数据（物理）移动到数据中心进行比对处理﹐最终得到一个清晰的图像。EHT中距离最远的两台望远镜分别位于西班牙格拉纳达市和美国夏威夷莫纳基亚山，相距约13000公里。因此，EHT等效于地球大小的望远镜。

EHT成员如下：

· 南极望远镜(South Pole Telescope)

· 位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array，ALMA)

· 位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment)

· 位于墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope)

· 位于美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜(Submillimeter Telescope)

· 位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT)

· 位于夏威夷的亚毫米波望远镜阵(Submillimeter Array)

· 位于西班牙的毫米波射电天文所的30 m毫米波望远镜

Credit: Harvard   

https://v.qq.com/x/page/c08598qq93b.html（EHT简介）

第二，即使我们有了口径等同于地球直径大小的望远镜，我们仍无法获得关于黑洞的全部信息。因为一座望远镜只能获得黑洞的一部分信息，而我们无法在地球上建满望远镜，因此我们得到的数据就如同听到的用有坏键的钢琴演奏的曲子一样。虽然听到的音符并不完整，但我们的大脑仍能还原出曲子的主要旋律，EHT的科学家们开发的图像生成算法就与此类似。但是，数据的有限性导致我们只能观测到黑洞的某些特征，符合这些特征的备选图片有很多，就如同有相似前奏的乐曲有很多一样。

因此，我们需要在不过度提供某类图片特征的情况下，告诉我们的算法，一张正常的图片应该是什么样。做到这一点的一种方法是，向算法展示拥有不同特征的图片，然后看看这些图片会怎样影响重建的结果。如果不同类型的图片都产生出了差不多的图像，那么我们便可以更有信心了，我们对图片的假设并没有导致结果出现太大偏差。

一个不严谨的例子是，假如我们让算法使用观测数据还原成一张狗的照片，其结果还是非常接近我们对黑洞图片的预测，那就说明我们对黑洞图片的预测是准确的。

第三，数据量大，难以处理。尽管每年EHT的观测窗口只有十天，但是每晚接收到的数据量可达2PB(1PB=1000TB=1000000GB)，相当于欧洲大型强子对撞机一年的数据量。由于数据量十分庞大，且无法通过网络传输，因此被储存在硬盘里，送往MIT的海斯塔克天文台和德国波恩的马普射电所进行处理，这是科学家们能想到的最快的方式了。

储存观测数据的硬盘

Credit: KATIE BOUMAN

第四，要想实现八座望远镜的同时观测，这些望远镜所在地必须天气适宜。虽然射电望远镜的观测波段位于大气窗区（能良好穿过大气，被反射和削减较少的波段）且相对于光学望远镜来说受天气影响较小，但是由于这八座望远镜分布范围较广，因此一般处在不同的天气区中，有不同的天气现象。加之精密仪器极易受到损坏，能用来观测的时机只有这八个地方的天气均晴朗适宜的时侯。平均每年只能找到十天左右的观测窗口，因而观测机会十分宝贵。

黑洞的照片有何用处？

首先，当然是满足人类的好奇心了，那么神秘的一个天体，谁不想看看它到底长什么样子呢？

此外，它还有重大的科学价值。包括：

1.检验相对论

爱因斯坦的广义相对论将时空的弯曲与能量的分布和移动相联系，大质量的物体会使时空变形。尽管已经利用一些实验进行了检验，比如用原子钟证实离地球中心越近时间流逝地越慢；行星的运行轨道并不完全符合万有引力定律；日全食时爱丁顿爵士测得的星光的偏折等等，但是这些现象与黑洞附近的极端环境相比简直是小巫见大巫。

广义相对论是否适用于黑洞一直的争议的话题。将我们拍摄的黑洞照片与广义相对论预言的进行对比，就可以知道爱因斯坦是否正确。

2.深入了解黑洞吸积盘

如果物质离黑洞不近并且只受到引力时，它只会像地球围绕着太阳一样不停地旋转，摩擦力在黑洞的“进食”过程中起到了很大的作用，这个过程叫做吸积。摩擦力使得气体所携带的引力能得到释放，这些释放的引力能会加热吸积盘中的气体，形成环绕黑洞的高温气体圆盘，然后落入黑洞。由于黑洞质量非常大，非常致密，物质需要释放很大的能量才能落入黑洞，所以吸积盘会很明亮。

利用拍摄的黑洞照片，我们要弄明白，为什么人马座A*的吸积盘如此暗淡，以及使黑洞得以进食的摩擦力是怎么产生的。

3.认识相对论喷流

很多星系中都出现了大规模的来自黑洞快速等离子喷流。M87中的喷流这种喷流以接近光速的速度延伸到5000光年以外。黑洞的照片将对我们了解这种奇妙的天体物理现象提供帮助。 

人马座A 一个有着喷流和洛希瓣的射电星系

Credit: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al./MPIfR/ESO/WFI/APEX/A.Weiss et al.

我们何其有幸，成为首批看到黑洞照片的人类。这个宇宙中最神秘莫测的天体如今展现在我们的眼前，5500万光年外的惊心动魄化为这张有些模糊的照片。当爱因斯坦的预言成为现实，我们这些站在巨人肩膀上的人们理应为之叹服，理应为人类而骄傲。但还有太多未知等待我们去探索，探索黑洞，探索奇妙的宇宙，探索我们的未来。这张照片正是人类前进的底气和决心的最好诠释。

参考资料：

https://eventhorizontelescope.org/science

《基础天文学》刘学富

 https://zh.wikipedia.org/wiki/blackhole

 https://baike.baidu.com/item/甚长基线干涉测量/8768745

『天文时刻』 牧夫出品

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