黑洞，“看到”你不容易！

荀利軍　黃月

小編的話：

還記得人類第一張黑洞照片什么樣嗎？對了，就是那個“甜甜圈”模樣的圖片啦！科學家“看到”它可是太不容易了，下面就讓我們結合幾個問題來繼續了解黑洞的奧秘吧！

2016年探測到的雙黑洞合并產生的引力波，使人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁是一種“看”的方式，對于更傾向于“眼見為實”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探測到之后，視界面望遠鏡并沒有放棄觀測，反而以全球聯網的方式，把這一探測技術推向了極致。

一、關于黑洞的研究歷時已久，4年前引力波已經讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？

簡單地說，是因為黑洞區域實在太小了——之前望遠鏡的角分辨率或者放大倍數不夠大。直到最近，我們才真正具有了能夠看到黑洞附近區域的能力。

其實，早在2017年進行全球聯網觀測之前，全球很多科學家已經為此努力了10多年的時間，并且利用8個望遠鏡陣列當中的幾個進行了聯網嘗試，探測了銀河系黑洞附近的區域。結果，確實在亞毫米波段探測到了周圍的一些輻射，這給了團隊很大的信心。

在此之前，盡管科學家們已經掌握了很多證明黑洞確實存在的電磁觀測數據，但是這些證據都是間接的——少數科學家會提出一些怪異的理論來證明黑洞的存在，因為我們并沒有直接觀測到黑洞的模樣。

二、“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照片嗎？

科學家之前探測黑洞，是通過探測黑洞周圍的吸積盤或者黑洞噴流產生的輻射，來間接地探測黑洞的存在。

從理論上來講，任何能夠產生輻射的黑洞都是適合拍照的，但受技術限制，我們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一些細節。

視界面望遠鏡此次觀測其實選定了兩個目標：一個是我們銀河系中心的超大質量黑洞，質量為450萬倍的太陽質量，距離地球2.6萬光年;另外一個是位于M87星系中心的黑洞，其質量為65億倍的太陽質量，距離地球5300萬光年。

黑洞半徑通常以史瓦西半徑來描述，與黑洞質量成唯一正比關系。如果我們將視界大小定義為黑洞直徑和黑洞距離的比值，那么我們就可以知道，銀河系中心黑洞的視界大小約為M8了中心黑洞視界大小的1.4倍。這是我們知道的最大的兩個黑洞，而那些質量只有幾十個太陽質量的恒星級黑洞，盡管距離相對比較近，但是由于其質量過小，視界更小，就更難被我們的望遠鏡看到了。

三、既然銀河系中心的超大質量黑洞這么大、距離這么近，為什么這一次只發布了更為遙遠的M87的照片，而沒有銀河系中心黑洞的照片呢？

M87中心黑洞附近氣體活動比較劇烈，我們之前已經觀測到了它所產生的強烈噴流，相比之下，銀河系黑洞的活動不那么劇烈。

另外一個很重要的原因是，我們的太陽系處在銀河系的銀盤上。在我們試圖利用視界面望遠鏡探測來自黑洞周圍的輻射或光子的時候，這些光子會受到傳播路徑上星際氣體的影響——氣體會散射這些光子，將觀測結果模糊化。

而M87是一個包含氣體很少的橢圓星系，受到的氣體干擾相對少很多，科學家們可以比較順利地進行觀測。我們在大氣層之內觀測天體時也會有類似情況，由于大氣擾動的緣故，望遠鏡的分辨率有時很難達到理想狀況。消除星際氣體散射的效應是科學家接下來需要克服的一個重要難題。

四、中國科學家在“黑洞照相一館”中發揮了什么作用？全球科學家是如何打配合作戰的？

中國大陸的望遠鏡并沒有直接參與到視界面望遠鏡的觀測當中，最直接的一個原因在于，中國大陸兩個建好的亞毫米波望遠鏡（一個是位于青海德林哈的13.7米望遠鏡，另一個是位于西藏的CCOSMA望遠鏡）不具備VLBI聯網功能。但即使它們可以實現聯網，同步觀測也無法實現，因為我們的兩個望遠鏡正好位于靈敏度非常高的ALMA陣列的背面位置。

廣為人知的中國FAST天眼望遠鏡也沒有機會參與到視界面望遠鏡的觀測行列。首先，其工作波段不同;其次，亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣所吸收，所以視界面望遠鏡都位于海拔比較高而且干燥的地方，比如ALMA望遠鏡就位于海拔5000多米的阿塔卡馬沙漠當中。

但是，位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（JCMT）是EHT聯合觀測網絡節點之一，中國科研機構進行了參與，為視界面望遠鏡提供了必不可少的觀測保障。

此外，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。

（本文摘編自“中國科普博覽”公眾號）