史上第一張黑洞照片

豌豆皮

新聞導讀：2019年4月10日，北京時間晚上9點，黑洞事件視界望遠鏡（EHT）合作組織在全球不同的城市——日本東京、丹麥林格比、比利時布魯塞爾、美國華盛頓、西班牙圣地亞哥，還有中國的上海和臺北，同步發(fā)布了史上第一張黑洞照片，為我們揭示了距離地球5350萬光年之遠的巨橢圓星系M87中心埋藏的超大質量黑洞的真面目。黑洞再也不是只存在于理論、推測和概念圖中的天體，人們終于可以“眼見為實”，親眼見到它的真實形象。

一起來讀圖

這張黑洞的照片并不像我們生活中常見的照片那樣纖毫畢現，而是顯得有些模糊。這是因為拍攝的目標距離我們實在太遠。雖然M87星系中心的黑洞推測足有64億個太陽的質量，·事件視界的半徑達到180億千米，但在5350萬光年的距離尺度上，它的可視大小只相當于月面上的一只冰紅茶瓶蓋。

事件視界

黑洞的真實表面，也就是所謂“事件視界”，是以黑洞的質量聚集點——奇點為中心的一道時空邊界，在這個邊界以內的一切，不管是物質、輻射還是信息，都無法來到邊界外。天文學家把黑洞定義為在這個邊界內的所有事件的集合，所以它叫“事件視界”。

當然黑洞本身不發(fā)光，也沒有任何光線能從它的事件視界內部跑出來，我們只能在它周圍的明亮背景上看到它形成的陰影。陰影比黑洞本身大，根據廣義相對論可以算出來，陰影直徑大約是事件視界半徑的五倍，所以要看到它的難度稍微“降低”了一點，相當于看到月面上的一只蘋果，需要的分辨率是哈勃空間望遠鏡（HST）的1000多信。沒有任何的單體望遠鏡能夠達到這樣的分辨率，所以黑洞事件視界望遠鏡并不只是一個望遠鏡，它是由包括中國在內的十幾個國家/地區(qū)的200多名科學家組成的一個國際合作計劃，使用位于世界6個地方的7臺射電望遠鏡，通過后期綜合處理每臺望遠鏡收到的信號，達到一臺綜合口徑相當于地球直徑的巨型望遠鏡的觀測效果。

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其實，參加EHT計劃的望遠鏡一共有8臺，但位于南極的那一臺望遠鏡由于位置所限看不到目標黑洞。

這次的照片是在1.3毫米的射電波段拍攝的，極限分辨本領大約是目標黑洞陰影寬度的一半，這才獲得了圖中的影像。不過，綜合口徑“相當于”地球直徑并不等于真的有一臺那么巨大的望遠鏡，畢竟能夠接收信號的面積還是只有那7臺望遠鏡的面積，所以信號強度很弱，雖然看見了，但還是比較模糊。研究人員需要精確校準來自不同望遠鏡的信號在傳輸過程中的時間差，再對相當于幾百萬部高清電影的海量數據進行處理和分析，因此從拍攝到發(fā)布照片，經歷了剛好兩周年時間。

照片中的黑洞隱藏在中央的陰影中，周圍是一片明亮的背景，這是黑洞周圍的吸積盤或噴流發(fā)出的光。黑洞周圍的氣體受到黑洞引力的作用，朝高速旋轉的黑洞落下，就會圍繞著黑洞形成一個吸積盤。吸積盤上的氣體在下落的過程中不斷加速，繞著黑洞高速運動，最終的速度可以接近光速。物質以這樣的速度相互摩擦，溫度非常高，發(fā)出強烈的輻射，在望遠鏡的視野里就顯得非常明亮。黑洞還會朝兩極方向噴出高速運動的粒子，速度可以達到光速的百分之幾十，也會顯得很明亮。M87星系中心的黑洞，正是由于長度達數千光年的筆直的噴流，才在一百年前就引起了人們的注意。在吸積盤和噴流產生的明亮背景映襯下，吸收進入自己的一切光線的黑洞才能被我們看見。

為什么黑洞的陰影比事件視界要大呢？因為太接近事件視界邊緣的光，雖然能夠離開黑洞而不被黑洞吞噬，但波長會被黑洞的引力極端拉長，攜帶的能量也幾乎全消耗在逃離黑洞的過程中，所以變得非常暗，無法在我們的望遠鏡里成像，成為黑洞周圍的陰影。而距離黑洞邊界一定距離的光呢，不但能夠逃掉，在逃離的過程中還需要繞著黑洞跑很多圈，積累的亮度特別高。所以雖然吸積盤和噴流的寬度和長度是黑洞的許多倍，但在這張照片上，我們只能看到陰影周圍的一道窄窄的光環(huán)。光環(huán)中匯聚的不但有來自黑洞周圍的光，還有來自黑洞“背后”，被它的引力所彎曲的光。光環(huán)一邊寬、一邊窄，一邊亮、一邊暗，這是由黑洞的自轉導致的，從照片中的情況看，這個黑洞是一枚從下往上轉的“上旋球”。從黑洞陰影的形狀可以印證廣義相對論的引力理論，看來在事件視界附近，我們所知的引力理論還沒有失效。

未來

M87中心的黑洞只是事件視界望遠鏡的目標之一，另一個目標是位于銀河系中心的黑洞。雖然它與我們的距離“只有”26萬光年，但銀心黑洞的質量小得多，在視野中呈現出來的面積只比M87的黑洞稍大一點點。在未來，隨著加入觀測的望遠鏡數量增多，觀測用的波長也有望從1.3毫米縮短到O.8毫米，以同樣的綜合口徑可以得到更高的精度和更明亮的圖像，由此探尋在黑洞表面附近的各種細節(jié)。天文學家希望能更細致地研究吸積盤和噴流的形成過程，再在事件視界附近的強引力場中驗證更多廣義相對論的預言。