當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月6日，瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），“因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對廣義相對論的有力預(yù)測”。另外一半授予萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·格茲（Andrea Ghez），因?yàn)樵阢y河系中心發(fā)現(xiàn)了一個超大質(zhì)量的致密天體，總獎金為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣）。

這一回科普作者可輕松了，把前兩年關(guān)于黑洞的科普再拿出來發(fā)一遍就可以了。之前我做過N期關(guān)于黑洞的科普視頻和文章，我們再把它們一次發(fā)出來。本期內(nèi)容為第三篇：如何給黑洞拍照片？

2019年4月10日，世界上第一張黑洞照片誕生了。這個工程稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT”，它凝聚了無數(shù)科學(xué)家的心血。拍攝過程中，人們調(diào)集了世界各地的數(shù)臺射電望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)處理經(jīng)過兩年之久。

黑洞連光都能吸進(jìn)去，為什么還能拍照片呢？拍一張照片為什么要花費(fèi)2年的時(shí)間呢？

關(guān)于這期的黑洞視頻內(nèi)容，可以點(diǎn)擊這里觀看。

1??瑞利判據(jù)

首先，需要給大家介紹一下望遠(yuǎn)鏡的基本原理。要看清遠(yuǎn)處的物體發(fā)出的光需要兩個條件：足夠的光強(qiáng)和足夠大的角度。

物體發(fā)出的光線經(jīng)過眼角膜和晶狀體折射后，會在視網(wǎng)膜上成像。如果光強(qiáng)太弱，進(jìn)入眼睛的光子不夠，就不足以使視神經(jīng)產(chǎn)生反應(yīng)，所以我們首先需要將遙遠(yuǎn)物體發(fā)出的光進(jìn)行收集和加強(qiáng)，這就需要望遠(yuǎn)鏡。

其次，物體不同部位發(fā)出的光會彼此成一定角度，在視網(wǎng)膜上成像也不是兩個點(diǎn)，而是兩個光斑，稱為愛里斑，這是由于衍射原因造成的。

假如兩條光線的夾角太小，光斑距離就會特別近，如果它們的圓心距離小于半徑，我們的眼睛就無法區(qū)分它們了?？雌饋韮蓷l光纖重合，發(fā)光物體就變成了一個點(diǎn)。

英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任、第三代瑞利男爵仔細(xì)研究了這個問題。

他指出：只有兩條光線之間的夾角θ與衍射孔徑D和光的波長λ滿足入下關(guān)系時(shí)，光線才是可分辨的

這個關(guān)系稱為瑞利判據(jù)。

例如：人的眼睛對550nm的綠光最為敏感，虹膜直徑大約5mm，這樣一來人的眼睛最小可分辨角為

如果光線夾角小于這個值，我們就無法分辨它們。遙遠(yuǎn)的星星不同部位發(fā)出的光進(jìn)入眼睛時(shí)夾角太小，所以大部分的星星看起來都是一個點(diǎn)。為了增大這個角度從而看清遠(yuǎn)處物體的結(jié)構(gòu)，我們也需要望遠(yuǎn)鏡。

2? 望遠(yuǎn)鏡

幾百年前，人類就開始制作望遠(yuǎn)鏡了。比如，伽利略就制作了一臺可以放大33倍的望遠(yuǎn)鏡，并用它觀察到了月球表面的環(huán)形山和木星的衛(wèi)星。

伽利略的望遠(yuǎn)鏡使用了一個凸透鏡和一個凹透鏡。凸透鏡的焦距長，凹透鏡的焦距短，并讓二者共焦點(diǎn)。平行光線進(jìn)入物鏡后向焦點(diǎn)匯聚，但是到達(dá)焦點(diǎn)之前被凹透鏡恢復(fù)成平行光，實(shí)現(xiàn)了寬平行光變?yōu)檎叫泄猓饩€被加強(qiáng)了。同時(shí)，如果入射光原本相對于眼睛的夾角比較小，經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡后角度會被放大，于是人的眼睛就可以分辨了。

天文學(xué)家開普勒也發(fā)明了自己的望遠(yuǎn)鏡，開普勒式望遠(yuǎn)鏡使用的是兩個凸透鏡，也讓他們共焦點(diǎn)，它也能夠?qū)崿F(xiàn)光線的加強(qiáng)和角度的放大。所不同的是，開普勒式望遠(yuǎn)鏡所成的是倒像，但是這對于天文觀測來講并沒有帶來太大的麻煩。

折射式望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)在于存在視差，有時(shí)候會模糊不清。為了克服這個缺點(diǎn)，牛頓發(fā)明了反射式望遠(yuǎn)鏡。

它通過一個凹形反光面收集光線，再利用平面鏡反射和凸透鏡會聚實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)和角度的放大。

不過，無論是折射式望遠(yuǎn)鏡，還是反射式望遠(yuǎn)鏡，都存在一個問題：它的觀察通過肉眼和可見光進(jìn)行，可見光的波長短，容易被大氣散射，到達(dá)地面上的光微弱而不穩(wěn)定。如何解決這個問題呢？人們有兩種方法：

第一，既然大氣散射造成了這個問題，那么就到大氣外面裝一個望遠(yuǎn)鏡好了。于是哈勃望遠(yuǎn)鏡問世了。人們躲開了大氣的散射，看到了許多從未見到的景象。

第二，既然可見光會被大氣散射，我們還可以使用波長較長的紅外線或微波進(jìn)行觀測，它們更容易穿透大氣層。于是，人們就發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡，它的基本原理與牛頓的反射式望遠(yuǎn)鏡類似，只不過使用的電磁波是紅外或微波。宇宙中許多物質(zhì)發(fā)光并不是可見光，只有通過射電望遠(yuǎn)鏡才能觀察到它們。

3??甚長基線干涉技術(shù)VLBI

無論是眼睛、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還是射電望遠(yuǎn)鏡，都要滿足瑞利判據(jù)。而且，根據(jù)瑞利判據(jù)，最小分辨角θ=1.22λ/D，射電望遠(yuǎn)鏡使用的電磁波波長λ比可見光更大，此時(shí)必須增大它的口徑D，才能分辨出很小的角度。所以世界各國都在爭向建設(shè)大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。例如中國貴州建設(shè)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），工作波長在0.1m左右，口徑達(dá)到了500米。這么大面積的射電望遠(yuǎn)鏡可以匯聚宇宙中微弱的電磁波，同時(shí)也可以分辨更小的角度。

如果用FAST觀察黑洞，能不能做到呢？

比如，我們這次拍照片的黑洞是室女座的M87中心黑洞，它的直徑大約1000億公里，距離我們5500萬光年。

經(jīng)過計(jì)算我們可以得出肉眼觀察時(shí)黑洞張角

顯然，這么小的角度用肉眼是肯定分辨不開了。觀察黑洞的射電望遠(yuǎn)鏡工作波長大約λ=1.3mm，我們將角度和波長代入瑞利判據(jù)，可以得到望遠(yuǎn)鏡口徑的最小值：

也就是說，這個望遠(yuǎn)鏡的口徑至少要8000公里！FAST肯定做不到。地球的半徑只有6400公里，怎么去建設(shè)這么大的望遠(yuǎn)鏡呢？

科學(xué)家總有辦法。既然一個望遠(yuǎn)鏡達(dá)不到這么大口徑，我們可不可以使用多個望遠(yuǎn)鏡達(dá)到這個目的呢？

比如，一個望遠(yuǎn)鏡口徑不夠，我們可以用兩個相距一定距離的射電望遠(yuǎn)鏡組成網(wǎng)絡(luò)，它就相當(dāng)于一個“鏤空”的反射式望遠(yuǎn)鏡。這樣二者之間的距離就相當(dāng)于“鏤空”望遠(yuǎn)鏡的口徑了。

按照這個思路，人們組織世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡組成了“甚長基線干涉望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)”VLBI，把地球變成了一個巨大的反射式望遠(yuǎn)鏡。

不僅如此，科學(xué)家們還設(shè)想：如果伴隨著地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)，這個VLBI的虛擬望遠(yuǎn)鏡口徑甚至可以達(dá)到地球的公轉(zhuǎn)軌道那么大，我們終于能夠看到更加遙遠(yuǎn)的宇宙了。

4??第一張黑洞照片

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，用以解釋宇宙。很快，科學(xué)家史瓦西就根據(jù)愛因斯坦的相對論計(jì)算出了一個特殊的解，這就是假如天體的質(zhì)量足夠大，就連光都無法逃脫，就會形成黑洞。

愛因斯坦的結(jié)論到底對不對呢？一百年來，人們驗(yàn)證了愛因斯坦的質(zhì)能方程、狹義相對論和弱引力場中的廣義相對論，發(fā)現(xiàn)愛因斯坦總是對的?？墒窃诤诙催@種強(qiáng)引力場中，廣義相對論正確不正確，還沒有證實(shí)。人們迫切需要一張黑洞的照片，去進(jìn)一步證實(shí)愛因斯坦的結(jié)論。

在這樣的背景下，2012年，天文學(xué)家們在美國亞利桑那州開會，決定組織一批世界不同地區(qū)的射電望遠(yuǎn)鏡，使用VLBI技術(shù)對銀河系中心黑洞和室女座M87中心黑洞進(jìn)行觀測，這里面甚至包含了南極洲的望遠(yuǎn)鏡。人們把這個項(xiàng)目命名為事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT。

2017年4月，EHT項(xiàng)目對兩個目標(biāo)進(jìn)行了持續(xù)十天的觀測。為了保證同步，每一個射電望遠(yuǎn)鏡都配備了精密的原子鐘。數(shù)據(jù)記錄下來的數(shù)據(jù)有10PB那么大，大約相當(dāng)于一萬塊1T硬盤的容量。許多天文臺并沒有網(wǎng)絡(luò)，這些數(shù)據(jù)被裝在特制的硬盤里，送到了美國的麻省理工學(xué)院和德國的馬克思普朗克射電所。值得一提的是，由于南極洲有禁飛期，這些數(shù)據(jù)等了好幾個月才從南極運(yùn)出來。

處理這些數(shù)據(jù)花了兩年的時(shí)間。因?yàn)樵救藗儾⒉恢篮诙词鞘裁礃幼拥模枰ㄟ^海量的數(shù)據(jù)通過一些方法還原到圖像。這就好像公安局的畫手通過受害者的描述給罪犯畫像一樣，如果一個畫手畫，他可能會往自己心中罪犯的形象傾斜，不能保證客觀。于是，世界上多個小組針對數(shù)據(jù)開展了自己的還原計(jì)劃，直到所有人的結(jié)果都一致了，黑洞照片才能真正與大家見面。

還有一個小問題要解釋一下。黑洞連光斗吸引的進(jìn)去，我們是如何看到它的呢？

實(shí)際上，所有有質(zhì)量的物體，都會造成一個引力勢阱，地球就是在這個引力勢阱周圍運(yùn)動。因?yàn)樘柕馁|(zhì)量不夠大，所以引力勢阱不夠深，只要物體以光速運(yùn)動，就一定能脫離太陽的引力。

但是，黑洞的質(zhì)量太大了，它的引力勢阱也非常深。在它附近有一個范圍稱為視界，世界外面的光還是可以逃脫黑洞的引力，而世界里面的任何物體都無法逃脫，只能向著中心點(diǎn)——奇點(diǎn)運(yùn)動。

在黑洞附近的恒星由于受到黑洞巨大的引力作用，有些物質(zhì)會被黑洞吸引。這些物質(zhì)會圍繞著黑洞運(yùn)動，稱為吸積盤。而且，在它們向著黑洞運(yùn)動的過程中，速度越來越快，溫度約來越高，就會發(fā)出電磁波，這就是我們拍攝到的黑洞照片：視界外面的吸積盤。

有些黑洞由于磁場的影響會將等離子體向著垂直吸積盤的方向噴射出去，就形成了噴流。M87的噴流有幾千光年之遠(yuǎn)，非常壯觀，這在之前就已經(jīng)被哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到了。

一張模糊的黑洞照片，凝聚了成千上萬科學(xué)家的心血。人們通過數(shù)年時(shí)間，在高科技設(shè)備的幫助下，再次印證了愛因斯坦的廣義相對論。一百年前，在沒有哈勃望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，愛因斯坦就知道答案了。

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