科普丨黑洞的传说……

JCOSR

昨晚，微博、微信都被这张照片刷屏，你知道这是什么吗？

人类首张黑洞照片——这就是黑洞的首张“证件照”！

1915年爱因斯坦发表广义相对论，最先预言了黑洞的存在。

2019年人类第一次“目睹”黑洞的真容！

你会不会因为专业名词太多看不懂？

别急，看完下面的科普，你就全明白了！



黑洞的传说……



北京时间10日晚9时许，在中国上海和台北、美国华盛顿、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京，六地天文学家同步公布了黑洞“真容”。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍，是从地球上望去最大的黑洞之一。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

那么黑洞到底是什么？为何值得全世界六地如此兴师动众发布？除了满足人们“眼见为实”的心愿，这张神秘照片的意义何在？而从2017年开始拍摄，怎么历时2年才“冲洗”出来？让我们一一解答。

黑洞研究的由来

黑洞理论的历史，可以追溯到很久以前，但直到上世纪70年代，人类才开始利用天文手段开展观测（在此之前，科学家对黑洞的认识停留在“说说而已”的阶段），其后的近50年里，人们一步步逼近黑洞。



黑洞剪影的模拟图像：广义相对论预言剪影是圆形的（中），其他理论则预言了不同的形状（左、右）。| 图片来源：D. Psaltis and A. Broderick

在这张照片问世前，科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在。“邻居”恒星、气体的运动暴露了黑洞的踪迹，根据黑洞“进食”发出的光来判断它的存在，抑或是通过“围观”黑洞的成长过程来“看见”黑洞……然而，在这个无图无真相的时代，没有什么比一张照片更有说服力了。

从某种意义而言，黑洞其实是一个很简单的天体，只有质量、旋转和电荷三个要素。2015年9月，人类第一次听到了两个黑洞相互碰撞的天籁之音：引力波。之后，科学家们更是加快脚步，为一探黑洞的“庐山真面目”而努力。2016年起，事件视界望远镜项目（EHT）频繁组织会议，同时也为联合观测做着包括优化数据记录、提高观测灵敏度在内的技术储备。“事件视界”的名字，来源于黑洞的一个专业名词：黑洞一旦形成，就会在其势力范围周围形成一个界面，被称作“事件视界”。

黑洞照片从哪拍到的？

该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍，是从地球上望去最大的黑洞之一。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

M87中心黑洞附近气体活动比较剧烈，我们之前已经观测到了它所产生的强烈喷流，相较之下，银河系黑洞的活动不那么剧烈。



恒星级黑洞系统示意图 | 图片来源：http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

另外一个很重要的原因是，我们的太阳系处在银河系的银盘上，在我们试图利用视界面望远镜探测来自于黑洞周围的辐射或光子的时候，这些光子会受到传播路径上星际气体的影响——气体会散射这些光子，将观测结果模糊化。

而M87是一个包含气体很少的椭圆星系，受到的气体干扰相对少很多，科学家们可以比较顺利地进行观测。我们在大气层之内观测天体时也会有类似情况，因为大气扰动的缘故，望远镜的分辨率有时很难达到理想状况。消除星际气体散射的效应是科学家接下来需要克服的一个重要难题。

黑洞照片是怎么拍出来的？

2017年的4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用一个虚拟望远镜网络，让人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”（EHT）。



事件视界望远镜由位于四大洲的8台射电望远镜所组成，图中的黄色线条为连接这些望远镜的“基线”。这是一个总口径等效于地球直径的虚拟巨型望远镜，其分辨本领比著名的哈勃空间望远镜还要高出1000倍，达到的分辨率约20微角秒，足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读到身处纽约的报纸。

它们北至西班牙，南至南极，向选定的目标（两年前视界面望远镜选定了两个观测目标，一是银河系中心黑洞SgrA*，二是位于星系M87中心的黑洞）撒出一条大网，捞回海量数据，以勾勒出黑洞的模样。

事实上，亚毫米波段和我们非常熟悉的可见光有着天壤之别。这个波段我们是无法直接看到的，所以，利用亚毫米波段给黑洞拍照，其实就是得到黑洞周围辐射的空间分布图。而我们日常接触的光学照片，则反映的是光学波段不同颜色或者频率的光子在不同空间位置上的分布情况。

黑洞照片为什么冲洗了两年？

自2017年4月EHT启动拍照，至今已经约有两年的时间了。为什么“黑洞”这张照片用了这么久才“冲洗”出来？



第一，望远镜观测到的数据量非常庞大。2017年时8个望远镜的数据量达到了10PB（=10240TB），2018年又增加了格陵兰岛望远镜，数据量继续增加。庞大的数据量为处理让数据处理的难度不断加大。

另外，在数据处理的过程当中，科学家也遭遇了不少技术难题——黑洞附近的气体处于一种极端环境当中，其运动有着非常多的不确定性——为了解决这些问题，科学家们还专门开发了特定的程序和工具。

最后，为了保证结果的准确性，在最终数据处理的时候，严谨的科学家们在两个不同的地方分别处理、分别验证。全世界范围内设立了两个数据中心，一个是位于美国的麻省理工学院，另外一个是位于德国的马普射电所，二者彼此独立地处理数据，也彼此验证和校对，保证了最终结果的准确可靠。

为什么今天才“看”到黑洞的照片？



M87星系中心的超大质量黑洞的模拟图像。

中间的黑色区域是黑洞的剪影。

图片来源：Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

黑洞研究历时已久，为什么今天才“看”到黑洞的照片？

简单地说，是因为黑洞区域实在太小了——而之前望远镜的角分辨率或者放大倍数不够大，在过去的几年中，我们才真正实现了能够看到黑洞附近区域的分辨能力。

其实，早在2017年进行全球联网观测之前，全球很多科学家已经为此努力了十多年的时间，并且利用8个望远镜阵列当中的几个进行了联网尝试，探测了银河系黑洞附近的区域，结果确实在亚毫米波段探测到了周围的一些辐射，这给了团队很大的信心。　

在此之前，尽管科学家们已经掌握了很多证明黑洞确实存在的电磁观测数据，但是这些证据都是间接的——少数科学家会提出一些怪异的理论来作为黑洞的替代物，因为我们并没有直接观测到黑洞的模样。

2015年9月，人类第一次听到了两个黑洞相互碰撞的天籁之音：引力波。让人们愈加相信黑洞的存在。但引力波是类似于声波的“听”的方式，而电磁方式是一种“看”的方式，对于更倾向于“眼见为实”、“有图有真相”的人类而言，以直观的电磁方式探测到黑洞还是非常让人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探测到之后，视界面望远镜并没有放弃观测，反而以全球联网的方式，把这一探测技术推向了极致。

黑洞照片的意义是什么？

这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。



类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图 | 图片来源：NASA/Goddard Space Flight Center

在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。

另外一个重要意义在于，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

受限于观测分辨率和灵敏度等因素，目前的黑洞细节分析还不完善。未来随着更多望远镜加入，我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节，从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制，完善我们对于星系演化的认知与理解。

中国科学家发挥了什么作用？



“中国天眼”（FAST）
中国大陆的望远镜并没有直接参与到视界面望远镜的观测当中，最直接的一个原因在于，中国大陆两个建好的亚毫米波望远镜（一个是位于青海德林哈的13.7米望远镜，另一个是位于西藏的CCOSMA望远镜）不具备VLBI联网功能。但即使它们可以实现联网，同步观测也无法实现，因为我们的两个望远镜正好位于灵敏度非常高的ALMA阵列的背面位置。

广为人知的中国FAST天眼望远镜也没有机会参与到视界面望远镜的观测行列。首先其工作波段不同，另外，亚毫米波光子很容易被大气中的水蒸气所吸收，所以视界面望远镜都位于海拔比较高而且干燥的地方，比如ALMA望远镜就位于海拔5000多米的acatama沙漠当中。

但是，位于夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT）是EHT联合观测网络节点之一，由中国科研机构参与，为视界面望远镜提供了必不可少的观测保障。

此外，部分中国科学家也参与了后期的数据分析和讨论，为世界上第一张黑洞照片做出了贡献。





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