來源：中國科普博覽

　　今晚九點(diǎn)，人類首張黑洞照片在全球六地的視界面望遠(yuǎn)鏡發(fā)布會(huì)上同步發(fā)布。

　　經(jīng)過漫長的等待，在全球 200 多位科學(xué)家的努力之下，第一幅黑洞照片新鮮出爐。

　　第一張黑洞照片來了↓↓

　　長久以來在電腦上模擬得到的黑洞形象，第一次真實(shí)地呈現(xiàn)在我們的眼前。在這張來自視界面望遠(yuǎn)鏡的照片里，M87 中心黑洞如同電影《指環(huán)王》中索倫的魔眼，在溫暖而神秘的紅色光環(huán)中間，是一片深黑的無底之洞。

　　這個(gè)圓環(huán)的一側(cè)亮一些，另一側(cè)暗一些，原因在于吸積盤的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)——朝向我們視線運(yùn)動(dòng)的區(qū)域因?yàn)槎嗥绽招?yīng)而變得更亮，遠(yuǎn)離我們視線運(yùn)動(dòng)的區(qū)域會(huì)變暗。中間黑色的區(qū)域就是黑洞本身——光線無法逃離之處。

　　從 1968 年美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出“黑洞”的概念，到 100 多年前德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西為黑洞做出精確解，再到今天我們收獲了第一張黑洞的照片，人類對(duì)黑洞和宇宙的認(rèn)識(shí)又邁出了關(guān)鍵一步。

　　在 2017 年 4 月全球 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)”事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）并拍下第一張黑洞照片之時(shí)，我們就曾寫到：“人類第一次看到黑洞的視界面，無論我們最終得到的黑洞圖像是什么樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘，或者只有幾個(gè)模糊的像素點(diǎn)——事件視界望遠(yuǎn)鏡都意義非凡，這是我們?cè)诤诙从^測(cè)史上邁出的重要一步。觀測(cè)結(jié)果不僅僅是一張照片那么簡(jiǎn)單，它一方面呼應(yīng)著愛因斯坦的廣義相對(duì)論，一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批‘看見’黑洞的人類，真是好運(yùn)氣。”

　　兩年之后，這張寶貴的照片為幸運(yùn)的我們解答同時(shí)也提出了更多的問題。

　　問題1：這張值得全世界六地同時(shí)興師動(dòng)眾發(fā)布的照片，究竟是怎么拍出來的？

　　在過去 10 多年時(shí)間里，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們聯(lián)合了其它研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開展了激動(dòng)人心的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，全球多地的 8 個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的 8 臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡所組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠(yuǎn)鏡的“基線”，由此構(gòu)成了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡。（圖片來源：EHT）

　　它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)（兩年前視界面望遠(yuǎn)鏡選定了兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)，一是銀河系中心黑洞 SgrA*，二是位于星系 M87 中心的黑洞）撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。

　　事實(shí)上，亞毫米波段和我們非常熟悉的可見光有著天壤之別。這個(gè)波段我們是無法直接看到的，所以，利用亞毫米波段給黑洞拍照，其實(shí)就是得到黑洞周圍輻射的空間分布圖。

　　對(duì)于我們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片來說，它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點(diǎn)以后，我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。

　　盡管是在單個(gè)頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測(cè)，但因?yàn)楹诙粗車煌瑓^(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同，我們于是可以得到一個(gè)光子強(qiáng)度分布圖，然后我們假定不同的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的顏色——這也可以解釋 M87 的照片為什么是魔眼色，而不是電影《星際穿越》中黑洞“卡岡圖雅”的亮黃色。

　　問題2：電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞有著深不見底的黑色中心與立體清晰的氣體圓環(huán)，此次發(fā)布的照片里的 M87 為何模糊許多？

電影《星際穿越》，中的“卡岡圖雅”黑洞（圖片來源：《星際穿越》）

　　和光學(xué)照片的清晰度問題一樣，根源在于分辨率。

　　根據(jù)天文學(xué)家所了解的知識(shí)，要想提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，我們可以做兩方面的努力：一是降低觀測(cè)頻段光子的波長（等價(jià)于增強(qiáng)能量），二是增加望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。這一次，通過 VLBI 技術(shù)對(duì)全球 8 個(gè)不同地方的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，我們得到了一個(gè)口徑達(dá) 1 萬公里的望遠(yuǎn)鏡，在 VLBI 技術(shù)相對(duì)成熟的射電波段之內(nèi)，科學(xué)家們選擇了能量最高的區(qū)域——毫米和亞毫米波段。

　　值得注意的是，此處的有效口徑，其實(shí)取決于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離。2017 年有 8 個(gè)亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入了觀測(cè)，2018 年北極圈之內(nèi)格陵蘭島的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡也加入其中，基線長度進(jìn)一步增加，也進(jìn)一步改善了望遠(yuǎn)鏡的分辨率。

　　然而，盡管我們現(xiàn)在的亞毫米望遠(yuǎn)鏡基線已經(jīng)達(dá)到了 1 萬公里，但空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測(cè)的有限區(qū)域內(nèi)，就相當(dāng)于只有有限的幾個(gè)像素。在《星際穿越》電影當(dāng)中，天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞形象——包括吸積盤的許多具體細(xì)節(jié)——都通過技術(shù)手段呈現(xiàn)了出來，然而在真實(shí)的情況下，我們?cè)谡掌兄荒芸吹轿e盤上的幾個(gè)亮斑而已。

　　隨之而來的一個(gè)問題是，既然我們可以將兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡放置得很遠(yuǎn)從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，那么我們能否只用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡來完成黑洞照片呢？

　　很遺憾，不行。觀測(cè)要求的不僅僅是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié)，而高靈敏度則能夠讓我們看到更暗的天體。

位于南極的 SPT 望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：SPT）

　　在視界面望遠(yuǎn)鏡的陣列中，位于南極的 SPT 望遠(yuǎn)鏡在增加基線長度或者說再提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率方面起到了非常大的作用，而位于智利的 ALMA 望遠(yuǎn)鏡陣列對(duì)于提高靈敏度非常重要——望遠(yuǎn)鏡真實(shí)的有效面積越大，靈敏度也就越高，ALMA 望遠(yuǎn)鏡陣列將視界面望遠(yuǎn)鏡的靈敏度提高了 10 倍以上，這也就意味著我們能夠探測(cè)到更弱的天體。

位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣 ALMA 望遠(yuǎn)鏡（圖片來源：ALMA）

　　如果未來將更多望遠(yuǎn)鏡加入到這個(gè)陣列，我們就能探測(cè)到更弱的輻射區(qū)域，看到更多的細(xì)節(jié)，得到一張更加清晰的黑洞照片。

　　問題3：視界面望遠(yuǎn)鏡 2017 年開始給黑洞拍照片，2019 年才發(fā)布成果，為什么這張簡(jiǎn)單而“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？

　　第一，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017 年時(shí) 8 個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了 10PB（=10240TB），2018 年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量為處理讓數(shù)據(jù)處理的難度不斷加大。

　　另外，在數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學(xué)家們還專門開發(fā)了特定的程序和工具。

　　最后，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們?cè)趦蓚€(gè)不同的地方分別處理、分別驗(yàn)證。全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)是位于美國的麻省理工學(xué)院，另外一個(gè)是位于德國的馬普射電所，二者彼此獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗(yàn)證和校對(duì)，保證了最終結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

　　問題4：黑洞研究歷時(shí)已久，四年前引力波已經(jīng)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(jiǎn)單地說，是因?yàn)楹诙磪^(qū)域?qū)嵲谔×?mdash;—而之前望遠(yuǎn)鏡的角分辨率或者放大倍數(shù)不夠大，在過去的幾年中，我們才真正實(shí)現(xiàn)了能夠看到黑洞附近區(qū)域的分辨能力。

　　其實(shí)，早在 2017 年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時(shí)間，并且利用 8 個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)中的幾個(gè)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)嘗試，探測(cè)了銀河系黑洞附近的區(qū)域，結(jié)果確實(shí)在亞毫米波段探測(cè)到了周圍的一些輻射，這給了團(tuán)隊(duì)很大的信心。

　　在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實(shí)存在的電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的——少數(shù)科學(xué)家會(huì)提出一些怪異的理論來作為黑洞的替代物，因?yàn)槲覀儾]有直接觀測(cè)到黑洞的模樣。

　　2016 年探測(cè)到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓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，而電磁方式是一種“看”的方式，對(duì)于更傾向于“眼見為實(shí)”、“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測(cè)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(cè)到之后，視界面望遠(yuǎn)鏡并沒有放棄觀測(cè)，反而以全球聯(lián)網(wǎng)的方式，把這一探測(cè)技術(shù)推向了極致。

　　問題5：如此大費(fèi)周章，除了滿足人們“眼見為實(shí)”的心愿，黑洞照片對(duì)于驗(yàn)證相對(duì)論、揭秘星系演化有何意義？

　　這次的直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在，同時(shí)也通過模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論做出了驗(yàn)證。在視界面望遠(yuǎn)鏡的工作過程和后來的數(shù)據(jù)分析過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，所觀測(cè)到的黑洞陰影和相對(duì)論所預(yù)言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。

愛因斯坦

　　另外一個(gè)重要意義在于，科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對(duì) M87 中心的黑洞質(zhì)量做出了一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量。在此之前，精確測(cè)量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。

　　受限于觀測(cè)分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細(xì)節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動(dòng)、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制，完善我們對(duì)于星系演化的認(rèn)知與理解。

　　問題6：那么，“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照片嗎？

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

恒星級(jí)黑洞系統(tǒng)示意圖

　　從理論上來講，任何能夠產(chǎn)生輻射的黑洞都是適合拍照的，但受技術(shù)限制，我們只能選擇拍攝到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(xì)節(jié)。

　　視界面望遠(yuǎn)鏡此次觀測(cè)其實(shí)選定了兩個(gè)目標(biāo)：一個(gè)是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量為 450 萬倍的太陽質(zhì)量，距離地球 2.6 萬光年；另外一個(gè)是位于 M87 星系中心的黑洞，其質(zhì)量為 65 億倍的太陽質(zhì)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(zhì)量成唯一正比關(guān)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，那么我們可以知道，銀河系中心黑洞的視界大小約為 M87 中心黑洞視界大小的 1.4 倍。這是我們知道的最大的兩個(gè)黑洞，而那些質(zhì)量只有幾十個(gè)太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，盡管距離相對(duì)比較近，但是因?yàn)槠滟|(zhì)量過小，視界大小更小，就更難被我們的望遠(yuǎn)鏡看到了。

　　問題7：既然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞這么大、距離這么近，為什么這一次只發(fā)布了更為遙遠(yuǎn)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(dòng)比較劇烈，我們之前已經(jīng)觀測(cè)到了它所產(chǎn)生的強(qiáng)烈噴流，相較之下，銀河系黑洞的活動(dòng)不那么劇烈。

　　另外一個(gè)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?cè)噲D利用視界面望遠(yuǎn)鏡探測(cè)來自于黑洞周圍的輻射或光子的時(shí)候，這些光子會(huì)受到傳播路徑上星際氣體的影響——氣體會(huì)散射這些光子，將觀測(cè)結(jié)果模糊化。

　　而 M87 是一個(gè)包含氣體很少的橢圓星系，受到的氣體干擾相對(duì)少很多，科學(xué)家們可以比較順利地進(jìn)行觀測(cè)。我們?cè)诖髿鈱又畠?nèi)觀測(cè)天體時(shí)也會(huì)有類似情況，因?yàn)榇髿鈹_動(dòng)的緣故，望遠(yuǎn)鏡的分辨率有時(shí)很難達(dá)到理想狀況。消除星際氣體散射的效應(yīng)是科學(xué)家接下來需要克服的一個(gè)重要難題。

　　問題8：今晚中國上海的 EHT 項(xiàng)目和中國科學(xué)院也發(fā)布了這一重大成果。中國科學(xué)家在“黑洞照相館”中發(fā)揮了什么作用？全球科學(xué)家是如何打配合戰(zhàn)的？

　　中國大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒有直接參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)當(dāng)中，最直接的一個(gè)原因在于，中國大陸兩個(gè)建好的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（一個(gè)是位于青海德林哈的 13.7 米望遠(yuǎn)鏡，另一個(gè)是位于西藏的 CCOSMA 望遠(yuǎn)鏡）不具備 VLBI 聯(lián)網(wǎng)功能。但即使它們可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，同步觀測(cè)也無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲覀兊膬蓚€(gè)望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡也沒有機(jī)會(huì)參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)行列。首先其工作波段不同，另外，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(yuǎn)鏡都位于海拔比較高而且干燥的地方，比如 ALMA 望遠(yuǎn)鏡就位于海拔 5000 多米的 acatama 沙漠當(dāng)中。

　　但是，位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）是 EHT 聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一，由中國科研機(jī)構(gòu)參與，為視界面望遠(yuǎn)鏡提供了必不可少的觀測(cè)保障。

　　此外，部分中國科學(xué)家也參與了后期的數(shù)據(jù)分析和討論，為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻(xiàn)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的人类首张黑洞照片为啥高糊？一文权威解答给你答案的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。