本文来自微信民众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：苟利军、黄月

昨晚九点，人类首张黑洞照片在环球六地的视界面千里镜宣布会上同步宣布。

经由冗长的守候，在环球200多位科学家的勤奋之下，第一幅黑洞照片新鲜出炉。

第一张黑洞照片来了：

长久以来在电脑上模仿获得的黑洞抽象，第一次着实地呈如今我们的眼前。在这张来自视界面千里镜的照片里，M87中心黑洞犹如影戏《指环王》中索伦的魔眼，在暖和而神奇的赤色光环中心，是一片深黑的无底之洞。

这个圆环的一侧亮一些，另一侧暗一些，缘由在于吸积盘的运动效应——朝向我们视线运动的地区由于多普勒效应而变得更亮，阔别我们视线运动的地区会变暗。中心黑色的地区就是黑洞自身——光芒没法逃离的处所。

1968年美国天体物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”的看法，而100多年前德国物理学家卡尔·史瓦西就为黑洞做出了正确解。本日我们收成了第一张黑洞的照片，人类对黑洞和宇宙的熟习又迈出了症结一步。

在2017年4月，环球8个射电千里镜阵列构成假造千里镜收集”事宜视界千里镜”（EHT）并拍下第一张黑洞照片之时，我们就曾写到：

“人类第一次看到黑洞的视界面，不管我们终究获得的黑洞图象是甚么样子容貌——是像影戏画面一样平常壮观恢弘，或许只要几个隐约的像素点——事宜视界千里镜都意义特殊，这是我们在黑洞观察史上迈出的主要一步。观察效果不仅仅是一张照片那末简朴，它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论，一方面也将资助我们回覆星系中的壮观喷流是怎样发生并影响星系演变的。我们将成为有史以来第一批‘瞥见’黑洞的人类，真是好运气。”

两年今后，这张珍贵的照片让荣幸的我们看到了黑洞的隐约表面，同时也提出了更多的题目。

题目1：这张值得环球六地同时调兵遣将宣布的照片，究竟是怎样拍出来的？

在曩昔10多年时候里，麻省理工学院（MIT）的科学家们团结了别的研讨机构的科研人员，睁开了激动人心的“事宜视界千里镜”项目，环球多地的8个亚毫米射电千里镜同时对黑洞睁开观察。

事宜视界千里镜由位于四大洲的8台射电千里镜所构成，图中的黄色线条为衔接这些千里镜的“基线”，由此构成了一架和地球巨细相称的千里镜。（图片泉源：EHT）

它们北至西班牙，南至南极，向选定的目的（两年前视界面千里镜选定了两个观察目的，一是银河系中心黑洞SgrA*，二是位于星系M87中心的黑洞）撒出一条大网，捞回海量数据，以勾画出黑洞的样子容貌。

事实上，亚毫米波段和我们异常熟习的可见光有着天地之别。这个波段我们是没法直接看到的，以是，应用亚毫米波段给黑洞照相，着实就是获得黑洞四周辐射的空间散布图。

关于我们一样平常打仗的光学照片来说，它反应的是光学波段分歧色彩或许频次的光子在分歧空间地位上的散布状态。邃晓了这一点今后，我们就很轻易明白亚毫米波段“黑洞照相馆”的原理了。

只管是在单个频次举行亚毫米波段观察，但由于黑洞四周分歧地区的光子所发生的辐射强度分歧，我们因而可以或许获得一个光子强度散布图，然后我们假定分歧的强度对应着分歧的色彩，就可以或许获得一幅“伪色图”——图中的色彩许多是科学家依据小我喜欢自行设定的色彩——这也可以或许诠释M87的照片为甚么是魔眼色，而不是影戏《星际穿越》中黑洞“卡冈图雅”的亮黄色。

题目2：影戏《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞，有着深不见底的黑色中心与平面清楚的气体圆环，此次宣布的照片里的M87为甚么隐约许多？

影戏《星际穿越》，中的“卡冈图雅”黑洞（图片泉源：《星际穿越》）

和光学照片的清楚度题目一样，泉源在于辨别率。

依据天文学家所相识的学问，要想进步千里镜的辨别率，我们可以或许做两方面的勤奋：一是下降观察频段光子的波长（等价于加强能量），二是增添千里镜的有用口径。

这一次，经由历程VLBI手艺对环球8个分歧处所的千里镜举行联网，我们获得了一个口径达1万公里的千里镜，在VLBI手艺相对成熟的射电波段以内，科学家们挑选了能量最高的地区——毫米和亚毫米波段。

值得注意的是，此处的有用口径，着实取决于千里镜收集傍边相距最远的两个千里镜之间的间隔。2017年有8个亚毫米波千里镜到场了观察，2018年北极圈以内格陵兰岛的亚毫米波千里镜也到场个中，基线长度进一步增添，也进一步改良了千里镜的辨别率。

然则，只管我们如今的亚毫米千里镜基线已到达了1万公里，但空间辨别率刚到达黑洞视界面的尺寸，以是在科学家们观察的有限地区内，就相称于只要有限的几个像素。在《星际穿越》影戏傍边，天文学家基普·索恩想象的黑洞抽象——包孕吸积盘的许多详细细节——都经由历程手艺手腕显现了出来，然则在着实的状态下，我们在照片中只能看到吸积盘上的几个亮斑罢了。

随之而来的一个题目是，既然我们可以或许将两个千里镜安排得很远从而完成更高的辨别率，那末我们可否只用两个千里镜来完成黑洞照片呢？

很遗憾，不可。观察请求的不仅仅是辨别率，另有灵敏度——高辨别率可以或许让我们看到更多的细节，而高灵敏度则可以或许让我们看到更暗的天体。

位于南极的SPT千里镜（图片泉源:SPT）

在视界面千里镜的阵列中，位于南极的SPT千里镜在增添基线长度或许说进步千里镜的辨别率方面起到了异常大的作用，而位于智利的ALMA千里镜阵列关于进步灵敏度异常主要——千里镜着实的有用面积越大，灵敏度也就越高，ALMA千里镜阵列将视界面千里镜的灵敏度进步了10倍以上，这也就意味着我们可以或许探测到更暗的天体。

位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵ALMA千里镜（图片泉源：ALMA）

若是将来将更多千里镜到场到这个阵列，我们就可以探测到更弱的辐射地区，看到更多的细节，获得一张越发清楚的黑洞照片。

题目3：视界面千里镜2017年最先给黑洞照相片，2019年才宣布效果，为甚么这张简朴而“隐约”的照片“冲刷”了两年之久？

第一，千里镜观察到的数据量异常重大。2017年时8个千里镜的数据量到达了10PB（=10240TB），2018年又增添了格陵兰岛千里镜，数据量继承增添。重大的数据量为处置惩罚让数据处置惩罚的难度赓续加大。

第二，在数据处置惩罚的历程傍边，科学家也遭受了许多手艺困难——黑洞左近的气体处于一种极度情况傍边，其运动有着异常多的不确定性。为相识决这些题目，科学家们还特地开发了特定的顺序和对象。

最后，为了包管效果的正确性，在终究数据处置惩罚的时刻，严谨的科学家们在两个分歧的处所离别处置惩罚、离别考证。环球局限内设立了两个数据中心，一个是位于美国的麻省理工学院，别的一个是位于德国的马普射电所，两者相互自力地处置惩罚数据，也相互考证和校正，包管了终究效果的正确牢靠。

题目4：黑洞研讨用时已久，四年前引力波已让我们“听”到了来自黑洞兼并的声响，为甚么直到本日我们才“看”到黑洞的照片？

简朴地说，是由于黑洞地区着实太小了——而之前千里镜的角辨别率或许放大倍数不够大，在曩昔的几年中，我们才真正完成了可以或许看到黑洞左近地区的辨别才能。

着实，早在2017年举行环球联网观察之前，环球许多科学家已为此勤奋了十多年的时候，并且应用8个千里镜阵列傍边的几个举行了联网实验，探测了银河系黑洞左近的地区，效果确着实亚毫米波段探测到了四周的一些辐射，这给了团队很大的自信心。

在此之前，只管科学家们已控制了许多证实黑洞确切存在的电磁观察数据，然则这些证据都是间接的——少数科学家会提出一些奇异的理论来作为黑洞的替换物，由于我们并没有直接观察到黑洞的样子容貌。

2016年探测到的双黑洞兼并发生的引力波，更是让人们越发置信黑洞的存在。但引力波是相似于声波的“听”的体式格局，而电磁体式格局是一种“看”的体式格局，关于更倾向于“眼见为实”“有图有原形”的人类而言，以直观的电磁体式格局探测到黑洞照样异常让人期待的。以是，在2016年终引力波被直接探测到今后，视界面千里镜并没有摒弃观察，反而以环球联网的体式格局，把这一探测手艺推向了极致。

题目5：云云大费周章，除知足人们“眼见为实”的希望，黑洞照片关于考证相对论、揭秘星系演变有何意义？

此次的直接成像除资助我们直接确认了黑洞的存在，同时也经由历程模仿观察数据对爱因斯坦的广义相对论举行了考证。在视界面千里镜的事情历程和厥后的数据剖析历程傍边，科学家们发明，所观察到的黑洞暗影和相对论所预言的险些完全一致，使人不由再次叹息爱因斯坦的巨大。

爱因斯坦

别的一个主要意义在于，科学家们可以或许经由历程黑洞暗影的尺寸限定中心黑洞的质量了。此次就对M87中心的黑洞质量做出了一个自力的丈量。在此之前，正确丈量黑洞质量的手腕异常复杂。

受限于观察辨别率和灵敏度等要素，现在的黑洞细节剖析还不完美。将来跟着更多千里镜的到场，我们有望看到黑洞四周更雄厚的细节，从而更深切地相识黑洞四周的气体运动、辨别喷流的发生和集束机制，完美我们关于星系演变的认知与明白。

题目6：那末，“黑洞照相馆”可以或许给一切黑洞照相片吗？

科学家之前探测黑洞，是经由历程探测黑洞四周的吸积盘或许黑洞喷流发生的辐射，来间接地探测黑洞的存在。

恒星级黑洞体系示意图

从理论上来说，任何可以或许发生辐射的黑洞都是合适照相的，但受手艺限定，我们只能挑选拍摄到那些看起来异常大的黑洞，如许才有能够看到黑洞四周的一些细节。

视界面千里镜此次观察着实选定了两个目的：一个是我们银河系中心的超大质量黑洞，质量为450万倍的太阳质量，间隔地球2.6万光年；别的一个是位于M87星系中心的黑洞，其质量为65亿倍的太阳质量，间隔地球5300万光年。

黑洞半径通常以史瓦西半径来形貌，与黑洞质量成独一正比干系。若是我们将视界巨细界说为黑洞直径和黑洞间隔的比值，那末我们可以或许晓得，银河系中心黑洞的视界巨细约为M87中心黑洞视界巨细的1.4倍。这是我们晓得的最大的两个黑洞，而那些质量只要几十个太阳质量的恒星级黑洞，只管间隔相对对照近，然则由于其质量太小，视界巨细更小，就更难被我们的千里镜看到了。

题目7：既然银河系中心的超大质量黑洞这么大、间隔这么近，为甚么这一次只宣布了更加悠远的M87的照片，而没有银河系中心黑洞的照片呢？

M87中心黑洞左近气体运动对照猛烈，我们之前已观察到了它所发生的猛烈喷流，相较之下，银河系黑洞的运动不那末猛烈。

别的一个很主要的缘由是，我们的太阳系处在银河系的银盘上，在我们试图应用视界面千里镜探测来自于黑洞四周的辐射或光子的时刻，这些光子会遭到流传途径上星际气体的影响——气体味散射这些光子，将观察效果隐约化。

而M87是一个包罗气体很少的椭圆星系，遭到的气体滋扰相对少许多，科学家们可以或许对照顺利地举行观察。我们在大气层以内观察天体时也会有相似状态，由于大气扰动的原因，千里镜的辨别率偶然很难到达抱负状态。消弭星际气体散射的效应是科学家接下来须要战胜的一个主要困难。

题目8：今晚中国上海的EHT项目和中国科学院也宣布了这一重大效果。中国科学家在“黑洞照相馆”中发挥了甚么作用？环球科学家是怎样打配合战的？

中国大陆的千里镜并没有直接介入到视界面千里镜的观察傍边，最直接的一个缘由在于，中国大陆两个建好的亚毫米波千里镜（一个是位于青海德林哈的13.7米千里镜，另一个是位于西藏的CCOSMA千里镜）不具备VLBI联网功用。但纵然它们可以或许完成联网，同步观察也没法完成，由于我们的两个千里镜恰好位于灵敏度异常高的ALMA阵列的后头地位。

广为人知的中国FAST天眼千里镜，也没有时机介入到视界面千里镜的观察行列。起首其事情波段分歧，别的亚毫米波光子很轻易被大气中的水蒸气所吸取，以是视界面千里镜都位于海拔对照高并且枯燥的处所，好比ALMA千里镜就位于海拔5000多米的acatama戈壁傍边。

然则，位于夏威夷的麦克斯韦千里镜（JCMT）是EHT团结观察收集节点之一，由中国科研机构介入，为视界面千里镜供应了必不可少的观察保证。

另外，局部中国科学家也介入了后期的数据剖析和议论，为世界上第一张黑洞照片做出了孝敬。

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