六問黑洞首秀

北京時間2019年4月10日，首張黑洞照片在全球200多位科學家的努力下新鮮出爐。不過，很多人看到照片后，依然對黑洞充滿好奇：為什么黑洞的照片那么模糊？給黑洞拍照有哪些困難？……對于這些疑問，科研人員都一一做出了回答。一起去看看吧！

1.黑洞照片是怎么拍出來的？

在過去的十多年間，美國麻省理工學院的科學家們聯合其他研究機構的科研人員開展了“事件視界望遠鏡”項目，全球多地的亞毫米波射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測。

事件視界望遠鏡由位于四大洲的數個亞毫米波射電望遠鏡組成，它們向選定的目標撒出一張大網，撈回海量數據，以勾勒出黑洞的模樣。

由于亞毫米波段是我們無法直接用肉眼看到的，所以利用它給黑洞拍照，得到的實際上是黑洞周圍輻射的空間分布圖。

人們日常接觸的光學照片反映的是光學波段顏色或頻率不同的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點以后，就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。雖然是以單個頻率進行亞毫米波段觀測，但由于黑洞周圍不同區域的光子所產生的輻射強度不同，可以得到一張光子強度分布圖，然后假定不同的強度對應不同的顏色，就能得到一幅“偽色圖”（黑洞照片中的顏色很可能是科學家根據個人喜好自行設定的）。

2.黑洞照片為什么那么模糊？

與光學照片一樣，清晰度源于分辨率。要提高望遠鏡的分辨率，既可降低觀測頻段光子的波長，又可增加望遠鏡的有效口徑。利用全球不同地方的望遠鏡聯網，科學家們得到了一個口徑超大的望遠鏡，并在相關技術相對成熟的射電波段內，選擇了能量最高的毫米和亞毫米波段。

值得注意的是，有效口徑取決于望遠鏡網絡中相距最遠的兩個望遠鏡之間的距離。2017年，一系列亞毫米波射電望遠鏡加入觀測。2018年，北極圈內格陵蘭島的亞毫米波射電望遠鏡加入，使得基線長度增加，提高了分辨率。

雖然目前的基線已達到了1萬千米，但空間分辨率剛達到黑洞視界面的尺寸，所以在科學家們觀測的有限區域內，就相當于只有有限的幾個像素。

另外，影響觀測的因素不僅僅只是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細節，而高靈敏度則能讓我們看到更暗的天體。

在事件視界望遠鏡的陣列中，位于南極的SPT望遠鏡和位于智利的ALMA望遠鏡陣列在增加基線長度及提高望遠鏡的分辨率方面起到了非常大的作用。如果未來能有更多的望遠鏡加入這個陣列，我們就能探測到更弱的輻射區域，看到更多的細節，得到更加清晰的黑洞照片。

3. 事件視界望遠鏡于2017年開始拍攝，為什么兩年后才得到照片？

首先，望遠鏡觀測到的數據量非常龐大。2017年，望遠鏡的數據量達到了10PB（1PB=1 024TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠鏡，數據量繼續增加。

其次，在數據處理的過程中，科學家也遇到了不少技術難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環境中，其運動有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學家們還專門開發了特定的程序和工具。

再次，為保證結果的準確性，在最終數據處理時，科學家們在全世界范圍內設立了兩個數據中心，一個是位于美國的麻省理工學院，另一個是位于德國的馬普射電所。二者彼此獨立地處理數據，也彼此驗證和校對，保證了最終結果的準確、可靠。

4.黑洞照片的獲得有何意義？

黑洞照片除了直接確認黑洞的存在，同時也通過模擬觀測數據驗證了愛因斯坦的廣義相對論。在事件視界望遠鏡的工作過程和數據分析過程中，科學家發現，觀測到的黑洞陰影和相對論所預言的幾乎完全一致。

另外，科學家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質量。在此之前，精確測量黑洞質量的手段非常復雜。

受限于觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細節分析還不完善。未來，隨著更多望遠鏡的加入，將能看到黑洞周圍更多、更豐富的細節，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運動、區分噴流的產生和集束機制，完善人類對星系演化的認知與理解。

5.“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照嗎？

在這之前，科學家們通過探測黑洞周圍的吸積盤或黑洞噴流產生的輻射間接地探測黑洞的存在。從理論上講，任何能產生輻射的黑洞都適合拍照，但受技術限制，只能選擇拍攝那些看起來非常大的黑洞，這樣才有可能看到黑洞周圍的細節。

事件視界望遠鏡此次觀測其實選定了兩個目標：一個是銀河系中心的超大質量黑洞，質量為太陽的450萬倍，距離地球2.6萬光年;另一個是位于M87星系中心的黑洞，質量為太陽的65億倍，距離地球5 300萬光年。這是目前已知的最大的兩個黑洞，而那些質量只有幾十個太陽質量的恒星級黑洞盡管距離相對較近，但是因為其質量過小等因素，很難被望遠鏡捕捉。

6.中國科學家在“黑洞照相館”中發揮了什么作用？

中國大陸的望遠鏡并沒有直接參與事件視界望遠鏡的觀測，最直接的原因在于中國大陸兩個建好的亞毫米波射電望遠鏡（一個是位于青海德令哈的13.7米望遠鏡，另一個是位于西藏的CCOSMA望遠鏡）不具備相關技術的聯網功能。

廣為人知的中國FAST天眼望遠鏡也沒有機會參與事件視界望遠鏡的觀測。一是因為工作波段不適合，二是因為FAST所處環境濕度較大。由于亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣吸收，所以事件視界望遠鏡都位于海拔較高且環境干燥的地方，比如ALMA望遠鏡就位于海拔5 000多米的沙漠中。

位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡是EHT聯合觀測網絡節點之一，有中國科研機構參與其中，為事件視界望遠鏡提供了必不可少的觀測保障。部分中國科學家也參與了后期的數據分析和討論，為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻。（據人民網海外版、經濟日報）