北京時(shí)間4月10日21點(diǎn)整，天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會(huì)，宣布首次直接拍攝到黑洞的照片。這張照片來之不易，為了得到這張照片，天文學(xué)家動(dòng)用了遍布全球的8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個(gè)所謂的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，縮寫EHT）。

從2017年4月5日起，這8座射電望遠(yuǎn)鏡連續(xù)進(jìn)行了數(shù)天的聯(lián)合觀測(cè)，隨后又經(jīng)過2年的數(shù)據(jù)分析才讓我們一睹黑洞的真容。這顆黑洞位于代號(hào)為M87的星系當(dāng)中，距離地球5300萬光年之遙，質(zhì)量相當(dāng)于60億顆太陽(yáng)。

黑洞是不是“洞”

1915年，物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：宇宙中存在一種引力和密度都無限大的宇宙天體——黑洞。在它周圍一定區(qū)域內(nèi)，有個(gè)連光線也無法逃離的勢(shì)力范圍，這一勢(shì)力范圍叫作“事件視界”。

但在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，黑洞預(yù)言無法被證實(shí)。這一看不見、摸不著，卻長(zhǎng)久以來存在于科學(xué)家們想象和推算中的神秘天體，究竟是否存在？

目前，天文學(xué)家普遍相信黑洞確實(shí)存在于宇宙之中，質(zhì)量天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。而且，超大質(zhì)量黑洞存在于幾乎所有星系的中心。

如何給黑洞“拍照”

欲睹黑洞“芳容”，全世界科學(xué)家翹首以待了許久，因?yàn)榻o黑洞“拍照”太難。

為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項(xiàng)黑洞觀測(cè)計(jì)劃，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）計(jì)劃正式啟動(dòng)。

黑洞本身的確是不發(fā)光的，但是這種被極度壓縮的完全黑暗的天體，因?yàn)閺?qiáng)引力的特性可以讓時(shí)空彎曲，并吞噬周圍的氣體。在此過程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，氣體的溫度變得很高，進(jìn)而發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。而在這些明亮的氣體襯托下，黑洞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑洞剪影，這一剪影就是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像。

剪影和發(fā)光的氣體之間會(huì)有一個(gè)分界，也就是事件視界。事件視界比黑洞陰影的尺寸小，大小約400億千米視界之內(nèi)，我們無法看到，但對(duì)事件視界進(jìn)行拍照，黑洞的樣子也就勾勒出來了。

按照EHT計(jì)劃，全世界200多位科學(xué)家組成空前龐大的“戰(zhàn)斗陣營(yíng)”，利用全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡及其陣列，組成一個(gè)虛擬的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)。

何以如此興師動(dòng)眾？

因?yàn)楹诙淳嚯x我們太過遙遠(yuǎn)，無論哪一單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都只能望洋興嘆。形象點(diǎn)說，望遠(yuǎn)鏡若想看到黑洞的事件視界，好比我們?nèi)祟愓驹诘厍蛉タ丛虑蛏系囊粋€(gè)橙子。困難程度可想而知。M87中心的黑洞質(zhì)量巨大，又相對(duì)接近我們，是地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個(gè)完美目標(biāo)。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的分辨率可以達(dá)到多少？一般來說口徑越大分辨率越高。

要想看清楚黑洞視界面的細(xì)節(jié)，視界面望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。為此，EHT觀測(cè)使用了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，觀測(cè)波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測(cè)，同時(shí)利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個(gè)口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，分辨率約20微角秒。

虛擬望遠(yuǎn)鏡成功組合只是第一步。這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)。在平原上由于信號(hào)弱不適合觀測(cè)，這些望遠(yuǎn)鏡所在的地區(qū)大多是海拔三四千米的山區(qū)，空氣稀薄，若在上面連續(xù)觀測(cè)，對(duì)工作人員來說是項(xiàng)挑戰(zhàn)。

但是更大的挑戰(zhàn)來自于天氣。因?yàn)橹挥羞@8個(gè)望遠(yuǎn)鏡及其陣列同時(shí)順利觀測(cè)到黑洞，才能達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。而現(xiàn)實(shí)是，留給科學(xué)家們觀測(cè)的窗口期非常短暫，每年大約只有10天。

“以夏威夷地區(qū)為例，去年有兩次觀察期，天氣很好，非常適合觀測(cè)。”研究人員說。

多次獨(dú)立的EHT觀測(cè)通過多個(gè)校準(zhǔn)以及不同的成像方法均揭示了一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影。

“黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預(yù)期黑洞會(huì)形成一個(gè)類似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的，可我們以前從未見過。”EHT科學(xué)委員會(huì)主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克說，“這個(gè)暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對(duì)光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質(zhì)，也使得我們能夠測(cè)量M87中心黑洞的巨大質(zhì)量?！?/p>

題外話：黑洞，終于見到你！轉(zhuǎn)發(fā)可吸走你全年霉運(yùn)！