如何拍一個(gè)黑洞

人類拍下首張黑洞照片的消息，大臉兔已第一時(shí)間為大家播報(bào)。今天就讓栗子君帶你來學(xué)習(xí)——

黑洞不是你想拍，想拍就能拍

現(xiàn)今恐怕沒幾個(gè)人不知道“黑洞”一詞，這很大程度上得歸功于愛因斯坦與霍金兩位大神的名人效應(yīng)。但其實(shí)早在1783年，劍橋?qū)W霸約翰·米歇爾就提出了黑洞的概念。

米歇爾設(shè)想，有一種天體，如果密度足夠大的話，其引力也將大到連光都無法逃逸。

1915年，廣義相對(duì)論發(fā)表后不久，天文學(xué)家卡爾·史瓦西就根據(jù)愛因斯坦重力場(chǎng)方程，算出了黑洞確實(shí)可能存在。

那么問題來了：黑洞既然能吞噬一切物質(zhì)、能量，連光都不能幸免，那么它就是不可見的，它的存在該如何證實(shí)？

間接證據(jù)是有的。

黑洞強(qiáng)大的引力，會(huì)將附近的物質(zhì)吸向自己。這些物質(zhì)繞著黑洞旋轉(zhuǎn)并最終落入其中，這一過程稱為“吸積”。物質(zhì)繞轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)盤狀，稱為“吸積盤”。由于高速旋轉(zhuǎn)，摩擦生熱，吸積盤溫度非常高，會(huì)放出強(qiáng)烈的X射線。故宇宙中的超強(qiáng)X射線源，很可能就是黑洞的所在。人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)疑似黑洞天鵝座X-1，正是這樣一個(gè)射線源。

此外，由于磁場(chǎng)的作用，吸積盤上的一些物質(zhì)會(huì)以接近光速的高速，從垂直于吸積盤的方向上噴出。這是追尋黑洞的另一線索。“網(wǎng)紅”黑洞Powehi所在的M87星系中心，就以長達(dá)5000光年的壯麗噴流而著稱。

當(dāng)然，無論X射線抑或高速噴流，它們依然不是黑洞本身。2015年，雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波首次被探測(cè)到，人類相當(dāng)于“聽”見了黑洞的存在。但“耳聽為虛”，唯有親眼“看”見，才算 踏實(shí)。

腦洞有多大，眼界就有多大

如前所述，黑洞不能直接被看見，不過呢，它總得有個(gè)邊界，叫做“事件視界”。事件視界被吸積盤所圍繞，其輪廓也就被吸積盤勾勒出來。我們要“看”的，就是這個(gè)剪影一樣的輪廓。

說起來簡單做起來難。因?yàn)楹诙磦儗?shí)在太遙遠(yuǎn)了。比如Powehi，雖然它的事件視界比太陽系還大，但5500萬光年的距離使得要看見它好比從地球看月球上的一個(gè)橘子！沒有一個(gè)實(shí)體望遠(yuǎn)鏡有這樣變態(tài)的能力。

所幸，我們有“甚長基線干涉測(cè)量”技術(shù)，簡單來說，就是把幾個(gè)小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來，達(dá)到一臺(tái)超大型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。

這臺(tái)虛擬的超大望遠(yuǎn)鏡有多大呢？其口徑相當(dāng)于相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)小望遠(yuǎn)鏡間的直線距離。也就是說，地球上的小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合而成的虛擬望遠(yuǎn)鏡，最大可以相當(dāng)于地球那么大！（如果加上2011年俄羅斯發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)最大值還可拓展到35萬公里，跟地月距離差不多了。）

經(jīng)過多年的協(xié)調(diào)，天文學(xué)家調(diào)動(dòng)了全球8臺(tái)頂尖的射電望遠(yuǎn)鏡（陣），組成了這個(gè)腦洞跟地球一樣大的虛擬望遠(yuǎn)鏡——事件視界望遠(yuǎn)鏡，來給黑洞拍照。

拍照五天，沖印兩年

技術(shù)有了，器材也OK，是不是請(qǐng)黑洞同志看向鏡頭微笑一下，就能得到一張標(biāo)準(zhǔn)照了呢？不行，還得看日子。

“甚長基線干涉測(cè)量”技術(shù)要求，所有參與的望遠(yuǎn)鏡要在同一時(shí)間觀測(cè)同一天體。于是，為了避免來自云層水汽的影響，8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡所在的地方必須同時(shí)晴天，連云都不能有。

這樣的要求已經(jīng)像全班大合照中不能有人眨眼一樣苛刻了，更何況8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)多得嚇人，根本無法通過網(wǎng)絡(luò)傳送，只能用硬盤記錄后“人肉”快遞到一地匯總。其中進(jìn)入極地從南極望遠(yuǎn)鏡取出數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，一年還只有一次！

2017年4月5日，事件視界望遠(yuǎn)鏡終于等來了合適的時(shí)機(jī)。8座臺(tái)站聯(lián)手，連續(xù)5天對(duì)M87星系和銀河系中央的兩個(gè)黑洞進(jìn)行觀測(cè)，獲得了約3500TB的海量數(shù)據(jù)。

3500TB是個(gè)什么概念？如果像看電影一樣不間斷地看，得用500多年才能看完;即使用大型計(jì)算機(jī)集群來處理，也花了兩年時(shí)間。

至此，來自全世界的200多名科學(xué)精英，前前后后付出了十余年的努力。要是從米歇爾的腦洞開始算，為了這驚鴻一瞥，我們已等了兩個(gè)多世紀(jì)！

雖然只是一張照片，但相對(duì)論的正確性卻再次得到驗(yàn)證，愛老爺子棒棒的！下一個(gè)被驗(yàn)證的將是什么？是霍金關(guān)于黑洞內(nèi)部性質(zhì)的預(yù)測(cè)嗎？等在黑洞出口的，會(huì)不會(huì)是平行世界的霍金……哈哈，開個(gè)玩笑。不過栗子君還是很期待的喲，你呢？