明天！黑洞要显真身了，是谁为它拍了第一张照片？太阳质量黑洞智利

发布时间：2019-04-09 10:01:08

来源：科学大院2019年4月10日中部标准时间15：00（北京时间4月10日21点整），全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言，通过协调召开全球新闻发布会，事件视

　　来源：科学大院

　　2019年4月10日中部标准时间15：00（北京时间 4月10日21点整），全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言，通过协调召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果，人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布，一直“活在传说中”的黑洞终于要露真容了。

　　在此之前，笔者研究黑洞将近20年，我常常被人问到“黑洞是什么样的”。

　　说实话，我并不确定。

　　除了在论文课件中自制的效果图，第一次“亲眼”看到黑洞形象是2015年在电影院里，荧幕上是《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象（见图一），和想象中的相差无几。

图一：电影星际穿越当中的黑洞，周围的亮环是由气体构成的吸积盘（图片来源：电影《星际穿越》）

　　从广义相对论推知而来的黑洞，就存在于宇宙深处，这一点在21世纪的今天或已无可置疑。黑洞确凿地存在于无数观测数据之中，但我们并不知道它在现实中的真实模样。如今，人类终于要为黑洞拍下第一张真正的照片了。

　　去年事件视界望远镜观测计划开启

　　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，利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络，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”（Event Horizon Telescope， EHT），其有效口径尺寸将达到地球直径大小。人类在2015年第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声，从那以后，科学家们又在为亲眼目睹黑洞真容而努力了。

　　无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——是像电影画面一般壮观恢弘，或者只有几个模糊的像素点——事件视界望远镜都意义非凡，这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单，它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论，一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。我们将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类，真是好运气。

　　无图无真相，科学家怎么知道黑洞在那里？

　　尽管“黑洞”（black hole）一词在1968年才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出来，但早在1783年，英国地理学家约翰·米歇尔（John Michell）便已经意识到：一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。这也是普通人在今天对于黑洞的最基本认识：吸入所有一切，连光都逃不出来。

　　既然想一睹黑洞“芳容”，我们对这个遥远天体的认识就得再多些。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，“奇点”在其周围形成一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。你大概感到好奇：登山家们勇攀高峰的原因是“山就在那里”，可是，既然天文学家们根本看不到黑洞，他们是怎么确定“黑洞就在那里”的呢？

　　黑洞自身不发光，难以直接探测，大大小小的望远镜对于直接观测遥远黑洞力不能逮。科学家们便只能够“曲线救国”，采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。

　　在某些时候，恒星量级（从3个太阳质量到100个太阳质量大小）的黑洞会存在于一个恒星周围，将恒星的气体撕扯到它自己身边，产生一个围绕黑洞旋转的气体盘，即吸积盘。

　　当吸积气体过多，一部分气体在掉入黑洞视界面之前，在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去，形成喷流。

　　吸积盘和喷流两种现象（见图二）都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射，所以很容易被科学家探测到，黑洞的藏身之处也就暴露了。

图四：位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵（ALMA）望远镜

　　除了黑洞“芳容”

　　这一观测还能解答什么问题

　　给黑洞拍张照片不容易，“洗照片”更是耗时漫长。射电望远镜不能直接“看到”黑洞，但它们将收集大量关于黑洞的数据信息，用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

　　对于之前的干涉仪来说，因为不同望远镜之间的距离不会太远，不同位置的观测数据通常可以实时比较、合并而后得到图像，科学家们是有可能实时在屏幕上看到图像的。但对于此次跨越南北半球的事件视界望远镜观测，因其所涉及的站点区域非常广阔，所产生的数据量将十分庞大。事件视界望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB （1PB=1000TB=1000000 GB），和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多。考虑到有些区域（比如南极）的数据传输速度相对较慢，所以科学家们在观测时不会对各个站点的数据进行实时相关分析，所以更不可能在屏幕上看到黑洞的实时图像。

　　在每一个观测中心，科学家们将利用提前校对好的原子钟时间，对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘，等到观测结束之后再汇总比较。

　　在观测结束之后，各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心（分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所）。在那里，大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析，从而产生一个关于黑洞的图像。这一分析所需的时间少则半年，长则一年。

　　万事具备，只欠东风。

　　设备准备就绪之后，剩下一个非常重要的因素，就是天气以及观测时间了。因为大气中的水对这一观测波段的影响极大，要想事件视界望远镜顺利观测，需要所有8个望远镜所在地（从夏威夷到智利，从墨西哥到南极）的天气情况都非常好。目前这些望远镜所在之处通常都是位于海拔较高，另外降雨量也是极少，所以全部晴天的概率其实非常高。

　　当所有数据被合并，最终得到图像时，包括我在内的天文学家们，希望看到这样一副图像：一个黑色的圆盘，被一个非常靠近黑洞视界面、很亮的光子圆环所围绕；因为黑洞转动的多普勒效应，光子圆环一侧较亮，另外一侧较暗（见图五）。