黑洞照片

宇宙中拍摄到黑洞的照片

黑洞照片（Photo of Black Hole）是以黑洞为拍摄对象的照片。

照片来源

首张黑洞照片照片来之不易，为了得到这张照片，天文学家动用了遍布全球的8个毫米/亚毫米波射电望远镜，组成了一个所谓的“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，缩写EHT）。

从2017年4月5日起，这8座射电望远镜连续进行了数天的联合观测，随后又经过2年的数据分析才一睹黑洞的真容。这颗黑洞位于代号为M87的星系当中，距离地球5300万光年之遥，质量相当于65亿颗太阳。

拍摄对象

M87*

此次科学家拍摄到的M87*，是一个超大型的黑洞。黑洞是一种体积极小而质量极大的天体，引力非常强，以至于周围一定区域内连光也无法逃逸，这一区域被称为“事件视界”。

选择的原因

黑洞有不同的尺度，此次科学家拍摄到的M87*，是一个超大型的黑洞。

事实上，要想拍到首先要能看到。即便能被看到，也不是所有黑洞都符合拍摄条件。黑洞的质量越大，就越适合成像，同时还要保证距离。简单地说就是，距离我们近的超大质量黑洞才是优质的‘模特’。

拍摄器具

事件视界望远镜”就是为观测黑洞的“事件视界”而设计的。它由分布在全球多地的射电望远镜组成，相当于一台口径为地球直径的超级望远镜，这就是“事件视界望远镜”项目。

人类史上第一张黑洞照片诞生的背后是科学家们调动了全球从两极到赤道共8个天文台的力量进行图片数据拍摄，参与观测的包括

智利阿塔卡玛毫米波望远镜阵列（ALMA）和阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）、西班牙 IRAM 30 米望远镜、夏威夷 JCMT 与亚毫米波阵列（SMA）、美国亚利桑那州基特峰望远镜、墨西哥大毫米望远镜（LMT）、格陵兰岛望远镜（GLT）以及南极望远镜（SPT）。

可以把“事件视界望远镜”看作一个全球观测网。它研究黑洞周围的环境，能达到足够的分辨率来区分光被拉入黑洞时的状况。而“事件视界”，其实就是黑洞最外层边界的学名。这个像行星一般强大的望远镜，能拍摄到黑洞的边界线，在它的帮助下，人们无法直接观察到的黑洞，就眼见为实了。

测量技术

甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术

这次黑洞成像的背后英雄还有甚长基线干涉测量技术。VLBI利用广为分布（距离可达上万或几十万千米）的射电望远镜，通过各台站独立记录信号和后期对信号的综合相关处理，获得一个大小相当于各台站之间最大间距的巨型（虚拟）望远镜。该技术可取得天文研究中最高的分辨本领。

拍摄目的

通过对黑洞的直接观测，科学家希望能够在更强引力场环境下检验广义相对论，直接验证事件视界的存在，研究黑洞边缘上的吸积和喷流行为，以及基础的黑洞物理等。

问世过程

计划开始

EHT于2017年4月首次全面运行，并且在那一次的运行中就取得了全部的黑洞数据。期间，8台射电望远镜对准了一个位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sagittarius A*），以及一个M87星系中心的黑洞。其中，人马座A*位于银河系的中心，质量约为太阳质量的四百万倍；另一个更大的黑洞是处女座星系的M87黑洞（Messier 87），质量是太阳质量的70亿倍。

尽管它们都十分巨大，在EHT的照片上却很小。据一位在EHT工作的天文学家说，人马座A*黑洞的大小大约是50个微角秒（角度单位）的宽度。一个微角秒大概是从月球上看地球上一篇文章末尾的句号的大小。

观测完成

最终，EHT对两个黑洞总共观测了约5个夜晚，产生了4PB的数据。采集的数据量如此之大，这也是为什么时隔两年后大众才有机会一睹黑洞全貌的原因。

在照片问世的过程中，不同的望远镜要对各自采集的数据进行时间和相位的重新矫正，以实现多个数据的同步。这本身就是一项繁琐的工作，而数据的后期处理更加耗费精力。如此巨量的数据，网络带宽不够传输，研究人员转而将数据拷贝到硬盘上，通过快递硬盘实体来交换数据，这竟然成为了比网络传输更快的方式。

照片发布

《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。

意义

此次拍到黑洞的照片，将有助于科学家进一步验证爱因斯坦广义相对论等基础理论，也有助于揭开更多未解谜团，包括位于星系中心的喷流是如何产生的、宇宙究竟有多大等。

拍到黑洞照片，只是人类认知黑洞的第一步。接下来，人类将进一步增加观测望远镜的数量，希望用更短的时间拍出细节更丰富、角度更多样的黑洞照片。未来，甚至不排除在外太空“搭建”清晰度更高的望远镜的可能性。

照片解读

EHT此次公布的发现，来自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”，是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时，从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线，会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线，就连处在黑洞正后方的物质发出的光线，都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。

由此产生的黑色剪影就是所谓的“黑洞大头照”——在这张照片上，黑洞完全是一团漆黑，可谓名副其实。这个阴影不会是一个对称的圆盘，这主要是因为周围气体的旋转速度极高，几乎要接近光速。如此高速运动的物质发出的辐射会发生多普勒频移，辐射方向也会向物质运动的方向汇聚而形成一个狭窄的光锥。因此，在旋转气体朝向我们运动的一侧，辐射会大大增强，而在背向我们运动的另一侧，辐射会大幅减弱。这样一来，出现在圆盘状黑暗剪影周围的就不会是一个完整的亮环，而是一个新月状亮弧。只有在我们的视线恰好与吸积盘旋转轴重合的情况下，这样的不对称才会消失。

黑洞本身的自转也会产生类似效果，但自转方向可能与吸积盘旋转的方向不同。因此这样的照片能让天文学家确定这个黑洞自转的方向，以及吸积盘相对于黑洞自转的倾斜角。这两个参数对天体物理学来说同等重要，这些数据将为吸积理论提供无价的观测输入，彻底解决气体密度和吸积流内边缘几何结构的问题。

验证广义相对论

这次发现，让我们在黑洞边缘这样引力的环境下验证广义相对论。

1973年，霍金等人提出了黑洞无毛定理。根据这一定理，任意被视界包裹的黑洞都可以被三个物理量完整地描述：质量、自旋和电荷。换言之，任意两个黑洞，只要质量、自旋和电荷都相等，那么这两个黑洞应该是完全一样的，就像两个电子一样是不可区分的。根据该定理的描述，黑洞是没有“毛发”的，没有任何几何上的不规则性或其他可区分的性质。

如果无毛定理是错的，广义相对论至少需要得到修正。对这一定理的数学证明没有留下任何回旋的余地。

最初考虑利用VLBI对黑洞进行成像观测的时候，我们认为可以利用黑洞“阴影”的形状及尺寸来了解黑洞的自转速度及其自转轴的方向。然而，数值模拟却给了我们一个意外的惊喜：在模拟中，无论我们如何改变黑洞的自转速度以及虚拟观测者的位置，黑洞的“阴影”总是呈现为近似圆形，并且其尺寸大约为视界半径的5倍。由于某一幸运的巧合——或者有某一尚未被我们发现的深层次物理规律，不管我们如何改变模型中的参数，黑洞“阴影”的大小和形状都保持不变。

这一巧合对于我们验证爱因斯坦的理论是极有利的，因为它仅在相对论成立的前提下出现。而对人马座A*的观测结果显示，其“阴影”的大小或形状与我们的预言相吻合，这进一步印证了无毛定理——进而也验证了广义相对论。

这次发现无疑帮助我们确认，爱因斯坦的广义相对论——特别是它关于黑洞的预言——将毫发无损地再成立一个世纪。

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