史上第一張黑洞照片發(fā)布！距離地球5500萬光年

今晚史上第一張黑洞照片發(fā)布，這是天文學(xué)家捕獲的首張黑洞照片。根據(jù)中科院，該黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系Messier 87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”。光呈現(xiàn)出這張照片就耗費了兩年時間。

根據(jù)Engadget中國發(fā)布的報道，這里看到的光暈不是黑洞本身，而是黑洞周圍的物質(zhì)落入黑洞中時，所發(fā)出的強(qiáng)烈能量。這個吸積盤應(yīng)該是圓盤狀的，但由于黑洞周圍的引力太過巨大，扭曲了光線，使得我們看到的是一個一側(cè)亮、另一側(cè)暗的圓環(huán)。如果大家還有印象的話，電影《星際穿越》中的大黑洞雖然有經(jīng)過美化，但它的樣子真的和觀測到的相去不遠(yuǎn)，由此可見我們對黑洞模型的掌握是非常貼切的。

《星際穿越》上映五年后，人類居然真的可以看到黑洞的真容了：

諾蘭電影《星際穿越》中的黑洞，名叫“卡岡圖雅”，由黑色天區(qū)與明亮光環(huán)構(gòu)成，相對論物理學(xué)家基普·索恩為影片設(shè)計了這個黑洞形象

除了確認(rèn)黑洞本身的模型無誤外，這次的另一個重大的目的，就是觀察在極端引力的環(huán)境下，相對論是否能保持正確，而由影像結(jié)果來看，科學(xué)家確認(rèn)了相對論一直到事件視界為止都是正確的，也讓科學(xué)家們松一口氣。

這張直接由望遠(yuǎn)鏡拍到的黑洞照片“沖洗”了約兩年時間。黑洞長什么樣?為什么可以被“看見”?對未來的研究有什么意義?下面不妨看下《人民日報》剛剛發(fā)布的博客：深度解讀！首張黑洞照片誕生記。

大量天文觀測數(shù)據(jù)已證實，在浩瀚的宇宙當(dāng)中，有無數(shù)的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人類卻從未直接“看”到過黑洞，并不知道它的真實模樣。

為了能一睹黑洞真容，2017年4月5日到14日之間，來自全球30多個研究所的科學(xué)家們啟動了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃。他們將分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，希望利用其捕獲黑洞影像。最終，科學(xué)家們成功拍攝到了黑洞的第一幅“照片”。

北京時間2019年4月10日21時，這張照片在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時發(fā)布。傳說中的黑洞終于揭開神秘面紗。

人類有史以來的第一張黑洞照片是如何拍攝的，本報記者為您揭秘整個過程。

認(rèn)識黑洞

理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體。它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

那么，黑洞是怎么形成的?

像宇宙萬物一樣，恒星也會衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時，內(nèi)核會急劇塌縮，所有物質(zhì)快速的向著一個點坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點，并形成一個強(qiáng)大的力場漩渦，扭曲周圍時空，成為黑洞。

宇宙中，根據(jù)質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍—上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。

根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個恒星量級的黑洞。然而，因為黑洞自身不發(fā)射和反射電磁波，儀器和肉眼都無法之間觀測到它。

既然無法“看見”，那怎么就知道它存在呢?天文學(xué)家們主要是通過各種間接的證據(jù)。

沈臺長：“主要有三類代表性證據(jù)。一是恒星、氣體的運動透漏了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，于是我們可以通過觀測這種影響來確認(rèn)黑洞的存在。二是根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)，也就是吃東西時發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程‘看’見黑洞。”

到目前為止，通過間接的觀測，科學(xué)家們在銀河系發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)了20多個恒星級質(zhì)量黑洞，但可能有上千萬個恒星級黑洞候選體。

中國科學(xué)院上海天文臺研究員沈志強(qiáng)說：“宇宙每個星系中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆，它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400多萬倍。除此之外，銀河系還有很多恒星級黑洞。”

這些神秘的黑洞和宇宙的誕生和演化有何關(guān)系?它和所在的星系之間又有什么關(guān)系?它又和我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系，會不會對我們的生活產(chǎn)生影響?……

為了更準(zhǔn)確清晰地解答這些問題，科學(xué)家們想直接“看”到黑洞。

準(zhǔn)備“相機(jī)”

廣義相對論預(yù)言，雖然黑洞本身不發(fā)光，但因為黑洞的存在，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此氣體被加熱至數(shù)十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。

愛因斯坦的廣義相對論已預(yù)測過這個“陰影”的存在，以及它的大小和形狀。科學(xué)家們期望這次能直接捕獲到這個黑洞“陰影”的圖像。

中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森說：“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據(jù)。”路如森說：“這就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而能保證看得到和看得清?！?/span>

但滿足上述所有條件，望遠(yuǎn)鏡的口徑需要像地球大小。然而，目前地球上已有的單個望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米。那該怎么辦?

聰明的天文學(xué)家們想到了一個好辦法——搞強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。

把地球上現(xiàn)有的一些望遠(yuǎn)鏡“組合”起來，就能夠形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡,其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。

于是，全球超過200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）這一重大國際合作計劃，決定利用甚長基線干涉測量技術(shù)。

沈志強(qiáng)說：“就是利用多個位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時間進(jìn)行聯(lián)合觀測，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟?！?

最終，科學(xué)家們選定了來自全球多地的包括南極望遠(yuǎn)鏡等8個亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡。

路如森說：“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70多個小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。”

選定目標(biāo)

在組建大型虛擬望遠(yuǎn)鏡的同時，科學(xué)家們也在尋找著合適的拍攝目標(biāo)。

黑洞剪影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)是非常非常小的。在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標(biāo)。

科學(xué)家們甄選了一圈之后，決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標(biāo)：一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。

沈志強(qiáng)說：“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質(zhì)量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優(yōu)的成像候選體?！?

盡管如此被選擇的兩個黑洞已是最優(yōu)成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。

Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個太陽，所對應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，相當(dāng)于17個太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2萬5千光年（約24億億公里）之遙。

沈志強(qiáng)說：“這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那么小，就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子?！?

M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大，達(dá)到了60億個太陽質(zhì)量。

盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的事件視界對科學(xué)家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大那么一點兒。

調(diào)試相機(jī)

要想看清楚兩個黑洞事件視界的細(xì)節(jié)，事件視界望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。

要多高呢?

路如森說：“比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上?！?

但也別以為，只要虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。

實際情況并沒那么簡單！如同觀看電視節(jié)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(jìn)行觀測至關(guān)重要。

此前的一系列研究表明，觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段是約為1毫米。

路如森說：“因為氣體在這個波段的輻射最明亮，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球?！?

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，而非單個望遠(yuǎn)鏡口徑的大小。

為了增加空間分辨率，以看清更為細(xì)小的區(qū)域，科學(xué)家們在此次進(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。

沈志強(qiáng)說：“這樣設(shè)置是為了要保證所有8個望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率?！?

正式拍攝

8個望遠(yuǎn)鏡北至西班牙，南至南極，它們將向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，為我們勾勒出黑洞的模樣。

留給科學(xué)家們的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間。對于2017年來說，是在4月5日到4月14日之間。

除了觀測時間上的限制，拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。

“因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大，水會影響射電波的強(qiáng)度，這意味著降水會干擾觀測?！? 沈臺說，“要想視界面望遠(yuǎn)鏡順利觀測，需要所有望遠(yuǎn)鏡所在地的天氣情況都非常好?！?

按照要求，計劃選擇的8個望遠(yuǎn)鏡所在之處均是位于海拔較高，降雨量極少，全部晴天的概率非常高。

此外，要成像成功還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時間上完全同步。

北京時間2017年4月4日，事件視界望遠(yuǎn)鏡啟動拍攝，將視線投向了宇宙。最后的觀測結(jié)束于美國東部時間4月11日。

觀測期間，每一個射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自于目標(biāo)黑洞附近的射電波信號，這些數(shù)據(jù)然后被集成用于獲得事件視界的圖像。

沈志強(qiáng)說：“為了確保信號的穩(wěn)定性，事件視面望遠(yuǎn)鏡利用原子鐘來確保望遠(yuǎn)鏡收集并記錄信號在時間上同步?！?

沖洗照片

給黑洞拍張照片不容易，“洗照片”更是耗時漫長。

射電望遠(yuǎn)鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息，用數(shù)據(jù)向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子。

在觀測結(jié)束之后，各個站點收集的數(shù)據(jù)將被匯集到兩個數(shù)據(jù)中心（分別位于美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所）。在那里，超級計算機(jī)通過回放硬盤記錄的數(shù)據(jù)，在補(bǔ)償無線電波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差后將所有數(shù)據(jù)集成并進(jìn)行校準(zhǔn)分析，從而產(chǎn)生一個關(guān)于黑洞高分辨率影像。

此后，經(jīng)過長達(dá)兩年的“沖洗”，2019年4月10日，人類歷史上首張黑洞照片終于問世。