首張黑洞照片誕生的秘密

文/王善欽（南京大學-加州大學伯克利分校天體物理學博士）

事件視界望遠鏡（EHT）拍攝到的M87中心的黑洞及其附近明亮的物質環，這個物質環發出明亮的毫米波。

黑洞不僅是天文學和物理學中最重要的名詞之一，也是整個科學領域中最具神秘色彩的概念之一。當一個天體足夠致密時，距離其中心某個范圍以內的光無法逃脫出去，這個物體就成為黑洞。光恰好無法逃脫的地方，構成一個面，即“事件視界”。事件視界外面的觀測者無法看到事件視界以內，事件視界的大小也就因此代表著黑洞的大小。盡管牛頓理論也可以預言黑洞的存在，但只有愛因斯坦的廣義相對論可以正確描述黑洞及其周圍時空的性質。

長期以來，人們對黑洞的真實面貌僅停留在計算機數值模擬與藝術想象的層面。過去幾年來，一個國際聯合小組動用世界上8個射電望遠鏡，共同拍攝了一張巨型黑洞的照片。這張照片于2019年4月10日一經公布便轟動了世界。這張著名的黑洞照片到底藏著哪些秘密呢？

尋找黑洞

如果一個黑洞周圍沒有任何物質，也沒有任何遙遠的星光經過它附近，那么，我們就無法察覺到它的存在。但是，如果黑洞附近有恒星、分子云或者塵埃團，它就有可能暴露行蹤。比如，黑洞與附近的恒星構成雙星系統，恒星在周期性地運動，人們就可以判斷出有一個黑洞在影響這個恒星。在更極端的情況下，黑洞周圍的物質落入黑洞，物質在下落過程中，內部互相摩擦，產生的大量熱量會使物質發出強光，我們可以根據觀測到的強光計算出中心正在“大吃大喝”的天體的質量和體積，進而判斷出它們是黑洞。

人們通過上述方法分別證明，宇宙中有一些恒星級黑洞與超大質量黑洞，前者往往與另一個恒星共舞，后者則位于一些星系的中心。比如，我們的銀河系中心人馬座方向就有一個黑洞，被稱為“人馬座A*”，它的質量是420萬個太陽，它周圍的物質大都離它足夠遠，只有少量物質落入其中，讓它慢慢“享用”。距離我們5500萬光年（1光年約等于10萬億千米）之外的星系M87中心也有一個黑洞，其質量比銀河系中心的黑洞大上千倍，達到65億個太陽質量，它周圍有大量物質離它非常近，因此不斷下落，供它持續“大吃大喝”。

直接拍攝黑洞

上文所說的方法雖然可以判斷出哪里存在黑洞，但都是通過間接的方法判定的。人們希望可以直接拍攝出黑洞的圖像。

但如果黑洞周圍什么都沒有，那就無法進行拍攝，這就如人們無法在黑色的煤礦里拍攝一塊黑色的煤炭。但是，如果黑洞周圍有大量物質在發出強烈的光，那么我們就可以拍攝到黑洞。這就如同我們拍攝雪地里的一塊煤炭，煤炭本身并不發光也不反射光，但我們拍出的周圍環境是白色的，那其中黑色的自然就是煤炭。

因而，這次天文學家直接拍攝黑洞采用的方法是：用望遠鏡直接接收黑洞周圍物質發出的電磁波，從而區分出黑洞周圍的物質和黑洞自身。

為此，天文學家挑選出兩個最適合直接觀測的黑洞：5500萬光年之外M87中心的黑洞M87*和銀河系中心的黑洞人馬座A*。為什么選擇這兩個黑洞？因為這兩個黑洞看起來較大。一個物體要看起來較大，就必須自身大，或者距離近，最好自身大且距離近。定量判斷“看起來的大小”的方式很簡單：用黑洞的直徑除以黑洞與我們的距離，得到一個張角，這個張角的大小就可衡量黑洞看起來的大小。M87*和人馬座A*的張角都大約為15微角秒，即100萬分之15角秒，相當于在地球上看到月球上的一個乒乓球的大小。這兩個黑洞周圍的物質，則會達到幾十微角秒。這兩個黑洞及其周圍物質的張角是有望被拍到的所有黑洞里最大的，因此它們被選中了。

拍攝過程困難重重

天文學家拍攝黑洞的想法雖然簡單，也有了最佳的候選黑洞，但長期以來無法實現。因為拍攝它們實在太困難了，而最大困難就在于分辨率不夠。所有儀器都有分辨率，以能夠分辨出的角的大小為衡量標準。儀器分辨角太大時，就無法觀測到物體的細節。比如，用分辨角是10角秒的望遠鏡觀測1角秒大小的物體，就難以發現細節；但如果用分辨角是1角秒的望遠鏡觀測這個物體，就可以觀測到這個物體的細節。

上文說過，M87*和人馬座A*的張角大約是幾十微角秒，但望遠鏡觀測的分辨角約等于波長與直徑的比值，射電望遠鏡使用的是射電波，波長為1毫米左右到幾十米。即使波長短到1毫米，直徑大到500米，最小分辨角也有0.4秒，即40萬微角秒，是上述兩個黑洞張角的上萬倍，所以根本無法拍出清晰的黑洞圖像。

組合式望遠鏡顯神威

為了讓望遠鏡的分辨角更小，一個解決方法是建造更大直徑的射電望遠鏡，不過這個方法難度太大，代價也太高。即使把射電望遠鏡的直徑擴大到幾萬米，也不能解決問題。不過，天文學家早已想到了更好的方法：在某個時間段，將全球多地的射電望遠鏡聯合成“一個望遠鏡”，其直徑即可等于地球直徑，即1萬多千米。

如果這個聯合起來的射電望遠鏡的每個成員都可以觀測到黑洞周圍的物質發出的毫米波，那么它作為一個整體的分辨角恰好可以達到20微角秒，與上述的兩個黑洞的張角差不多，且小于黑洞周圍物質的分辨角。這樣的望遠鏡就可以分辨出上述的黑洞及其周圍物質的細節了。幸運的是，黑洞周圍熾熱的物質會發出大量毫米波，這些毫米波不會受到周圍物質與行進過程中遇到的物質的強烈吸收，可以很輕松地到達地球。

人們將這種多個距離遙遠的射電望遠鏡聯合在一起形成的望遠鏡稱為“甚長基線干涉儀”。雖然幾十年前就已經有了這個技術，但人們一直未能研制出足夠多且距離足夠遠，可以接收毫米波的射電望遠鏡。直到最近一些年，符合條件的射電望遠鏡才陸續出現，特別是位于智利干燥的阿塔卡馬沙漠里的大型毫米/亞毫米射電望遠鏡陣（ALMA）的建成，極大地促成了這個聯合望遠鏡陣的最終形成。位于智利、墨西哥、西班牙、美國、南極洲等地的8個毫米波射電望遠鏡構成了一個臨時的組合望遠鏡。其中，位于南極洲的望遠鏡是為了這個項目特意建造的。

臨時構成的這個組合式望遠鏡被命名為“事件視界望遠鏡”，縮寫為“EHT”。EHT團隊共有200多位世界各國的科學家參與。特別需要提及的是，在這個團隊中，我國大陸的科學家有16位，其中上海天文臺8人，南京大學與北京大學各2人，云南天文臺、高能物理所、中國科學技術大學、華中科技大學各1人。此外，還有多位來自中國臺灣地區多所大學與研究所的學者也參與了EHT團隊。

激動人心的時刻

2017年4月，在一切準備就緒后，EHT的8個望遠鏡同時對準黑洞M87*中心。觀測5天后，EHT團隊便得到了大量數據。在此后2年的時間里，團隊中的數據處理專家們細致入微地處理著這些珍貴的數據。為避免錯誤，數據處理由兩個獨立小組分別進行，禁止彼此交流。只有兩個小組得到完全一樣的圖像時，才可以判定圖像是正確的。此外，黑洞周圍物質發出的毫米波到達地球上不同望遠鏡的時間有細微差異，數據處理專家們用超級計算機扣除時間差，將它們同步。

最終，EHT合作者得到了黑洞M87*的圖像。這個圖像與此前理論研究的結果高度契合。之前曾有理論專家用計算機研究后指出，黑洞周圍的陰影部分的形狀如同月牙；由于黑洞周圍物質在旋轉，會導致一部分月牙狀物質比另一部分月牙狀物質更明亮。拍攝下來的圖像證實了這些細節。在首張黑洞照片中，中間完全黑暗的部分就是黑洞。必須說明的是，黑洞周圍物質發出的毫米波是沒有顏色的，科學家們用不同的顏色表示它們的溫度。

此外，銀河系中心的黑洞人馬座A*的拍攝任務也已經完成，但因為某些原因，對它的數據處理過程被延誤了，我們會在不遠的將來看到它的真容。

未來更美

天文學家首次拍攝到黑洞照片，具有多個重大的科學意義：首先，它首次以最直接的方式證實了宇宙中存在黑洞；其次，拍攝到的照片與廣義相對論得到的理論完全符合，又一次驗證了廣義相對論，也驗證了后續計算的可靠性；最后，獲得的圖像可以幫助科學家們分析黑洞周圍物質的物理性質，以及它們發出電磁波的具體機制。

2017年拍攝黑洞及其周圍物質時，接收的是物質發出的1.3毫米的電磁波。以后類似的拍攝行動可以使用0.8毫米的電磁波，這將使分辨角進一步縮小到原來的0.6倍，將可以看得更清楚。此外，將來會有更多射電望遠鏡加盟，獲得的圖像質量將更高，我們也將看到更細致、更漂亮的黑洞圖像。