为了看到黑洞，我们“造”了个地球那么大的望远镜！_风闻

造就第439位讲者 左文文

中科院上海天文台团委书记

“看见”黑洞，一直是人类的梦想。

今天我就给大家讲一个关于黑洞的故事。我想告诉大家：

我们为什么要拍一张黑洞的照片？

我们是怎样拍摄它的？未来，我们还有怎样的期待？

为什么要给黑洞拍照？

大家可能知道，这张照片拍摄的，其实是5500万光年之外一个长得像橄榄球一样的星系中心的超大质量黑洞。它的质量是太阳质量的62亿倍。

我们知道，在宇宙中的每一个大质量星系里，也包括我们的银河系，都存在着一个超大质量的黑洞。

我们已经通过一些间接的方法去判断它们的存在，就好像我们看不到风，但是可以看到风吹动落叶、旗帜，来判断风的存在。

类似的，我们也已经通过一些方法间接地判断黑洞是存在的，比如说观察它周围的恒星气体发出的光，或者是两个黑洞打架产生的引力波。

可是，我们还不满足。人类的好奇心和探索欲，驱使着我们想要知道：

黑洞——它究竟长什么样子？

我可不可以更直接地去看到黑洞？

这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。

给黑洞拍照，究竟有多难？

黑洞，它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中，气体是转动着下落的，就像我们打开洗脸池的出水口，你会发现池子里的水是一边转一边往下流动的。

黑洞也一样，周围的气体，一边旋转一边向黑洞中心掉落，最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带，我们称之为吸积盘。

还有一些气体没有被吸进去，这些气体很可能会向外喷射出去，产生喷流。

那么这时候大家会意识到，黑洞其实并不真的是全黑的，在黑洞的周围，有吸积盘、喷流，这些物质都会产生光。

可是，在黑洞视界附近，引力非常强，以至于将光线都弯曲了。

可以想象一下，本来光子都是直线传播的，可是到了黑洞附近，不好意思，它能让你跑的路线都变弯了，还能让你围着黑洞绕圈圈，进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗，所以称作阴影。

这个光环的半径有多大呢？我们来看一下这张图。

左侧的图是我们观测得到的，中间那张图是经过数值模拟的结果，。

大家会发现，观测到的好像也没有那么很高清。理论模拟告诉我们，在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域，会形成一个光环。所谓黑洞的半径，大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。

换算成数值的话有多大呢？如果我们把太阳压缩成一个史瓦西黑洞，它的势力范围（半径）就是3000米，也就是3000米内的光线都不能逃出去。

在我们自己的银河系中心，有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。大家可以算一下，一个太阳质量的黑洞，势力范围是3000米，那如果是400万个太阳质量的黑洞，势力范围就是1200万千米。

用上面提到的2.5倍系数换算一下，就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。光环很大，听起来好像不难拍，但是如果我告诉你它距离我们有多远呢？

26000光年。

26000光年相当于是250亿亿千米，这么远的距离想拍到一个直径7000多万千米的环有多困难呢？

我们小时候都用过量角器，满月时从地球上观测月亮的大小，大约是量角器上的0.5度那么大。

如果从地球去观测这个黑洞的话，它的光环大小，大概只有量角器上的一亿分之一度那么大。

你们可以想象它有多么多么小了，这样的情况下，我们该如何拍到它？

其实，我们人类的眼睛就是一个小型望远镜，只是我们看东西用的是可见光波段。而可见光波段的波长，大概是6000埃（1埃=0.1纳米），换成长度相当于是600纳米。

如果我们在可见光波段去观测这个黑洞，望远镜的口径需要造到6千米那么大；

如果用红外波段去观测黑洞，望远镜口径得造到15千米；

如果用毫米波去观测，望远镜要造到1万千米那么大；

用米波的话，望远镜得造到1000倍的地球那么大……

这么大的望远镜，能造出来吗？

事实上，目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜，也就十米那么大，从十米跳跃到六千米，可不是通过努力就可以实现的飞跃。

但是如果用毫米波观测呢？地球那么大的单个望远镜造不出来，但我们有一种技术，叫做VLBI——甚长干涉测量技术。

这种技术的原理是这样的：假设地球上有四台望远镜，东南西北四个方向，我们共同构成了一个网络，这时候我们共同构成的这个等效望远镜，它的等效口径，相当于最远的两台望远镜之间的距离。

这样的话，如果我能够在夏威夷这个位置装个望远镜，在南极再装个望远镜，我的口径是不是就很接近地球的直径了？

**通过这样的技术，我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。**全世界的科学家一起，在全球六个地点，八个台站，构成了一个EHT的网络，也就是事件视界望远镜网络。

我们去对两个黑洞的模特进行拍照，一个是自己老家银河系的黑洞，还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。

2017年我们共同进行了拍照，花了十天的时间，获得了海量的数据。

这个数据有多大？

对于M87，我们使用了来自七个天文台差不多是五天的数据，大小有3500T。

1T是1000个G，我们平常看的高清电影，最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影，从早看到晚，一个人要300年才能把这些数据全都看完。

如此大的数据量，再把不同的望远镜的数据进行时间延迟的修正等等相关处理、分析。即使有如此强力的超级计算机、如此高效的算法，我们依然花了近两年的时间，才完成了数据处理。

直到2019年4月10号，这张黑洞的照片，终于发布出来了！

用科学的方法打开这张黑洞照片

接下来我告诉大家如何去解读这张照片。

首先，我要告诉大家的是，这张照片的颜色——不重要。如果你喜欢用蓝色、绿色，都可以。

那什么最重要呢？

没错，就是这张照片上的亮度。亮度反映的是，黑洞在毫米波这个波段，不同空间区域它的亮度分布。

首先你能在照片上看到一个环，它的南部好像更亮，也就是它有不对称性。

为什么会不对称呢？

假设这个环是正对着我们，我们会觉得上面和下面应该是一样亮的。但是，如果黑洞光环下面的部分偏向我们一点，那么下面就会看起来更亮一些。它的形成原理是多普勒效应。

现在我们看到的是M87星系中心的黑洞，未来的话我们还能看到银河系中心的黑洞。而这样一些照片背后，是一个莫大的团组，由200多名科学家组成。

这其中，来自中国大陆的科学家有16位，他们在参与EHT合作之前，已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作上有了诸多积累。

从前期的国际合作的推动，到望远镜使用时间的申请、去四千米海拔的望远镜场地进行现场观测，再到数据的相关处理、分析，后期论文的写作，全程都有中国学家的身影。

最重要的是，EHT的“八大金刚”（望远镜）当中，位于夏威夷的一台望远镜JCMT是我们中国大陆出钱出力运营的，这是一个非常了不起的贡献。未来我们还在期待银河系中心黑洞的照片诞生。

对这些黑洞照片的研究，对它背后数据的研究，能让我们更好地了解黑洞、引力，甚至于整个宇宙。

希望大家能够因此明白，黑洞不是科幻小说里虚构出来的。黑洞，不黑。

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