洞若觀火 —— 黑洞，我們看到你了！_風聞

原創：牧夫天文

原創：王婧彧

校對：王茸 楊伯順 郭皓存

黑暗若只如初見，光亮塌陷於邊緣。

——我們茸姐深夜迸發的詩情           

EHT的重大成果

人類歷史上首張黑洞照片公佈了！

M87星系中心的特大質量黑洞，由EHT拍攝Credit:EHT

北京時間2019年4月10日21點，EHT（事件視界望遠鏡，Event Horizon Telescope）項目舉行了成果發佈會。會上公佈了上面這張過去幾小時裏刷屏朋友圈的黑洞照片。其成果以六篇通訊的形式發表在4月10日的《天體物理學雜誌通訊》上。

EHT是一個聯合了全世界各個國家的項目，圖為昨日一些發佈會的現場。      

是不是覺得跟想象中的不太一樣？圖片如此模糊不是任何人為的失誤，而是EHT已經盡全力的結果。

這張照片所拍攝的是M87星系中心的特大質量黑洞。望遠鏡無法拍攝到來自黑洞本身的光（因為黑洞不發光），只能拍攝到黑洞在照片上留下的“黑影”，而外面一圈明亮的環則是高速旋轉的吸積盤。由於黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同，“黑影”的大小也不太一樣。我們看到的照片中，“黑影”的大小約為2.5倍史瓦西半徑（作者注：史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑）。

當我們看向黑洞的“照片”我們到底在看什麼？ Credit: Veritasium

EHT此次公佈的發現讓人類在黑洞邊緣這樣引力極強的環境下驗證廣義相對論，是愛因斯坦的又一次勝利！                 

黑洞的結構

Credit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann

誰是本次EHT拍攝模特

本次發佈的照片的主角是位於M87超巨橢圓星系中心的特大質量黑洞，約為太陽質量的65億倍，距離地球約5500萬光年，是已知的質量最大的黑洞之一。EHT還拍攝了位於銀河系中心的特大質量黑洞人馬座A*，它的質量約為太陽的400萬倍，距離地球2.6萬光年。但是由於M87星系中的黑洞體積較大，且旋轉較慢，更易於觀測，所以這次M87星系中心黑洞的“照片”先被“洗”出來。

2012年，由LOFAR（射電天文低頻陣）拍攝的M87星系（左）。

右邊為作為比較的光學波段圖像。

Credit:Francesco de Gasperin / LOFAR collaboration

EHT如何克服千難萬險拍到黑洞真容

要問什麼最難拍，黑洞當仁不讓。拍攝黑洞有以下幾個難點：

第一，雖然星系中心的黑洞很大，但它們極其遙遠。從地球上觀測M87星系中的黑洞就如同從地球表面觀測月球上的一個橙子。而人類從地球表面拍攝精度最高的月球照片上的1個像素約等於150萬個橙子。若想觀測M87中心的黑洞，我們需要一口和地球一樣大的望遠鏡。因此，直接觀測黑洞一度被認為是不可能的。

然而科學家們總是以一種無中生有式的智慧為我們創造了一個奇蹟。EHT通過將世界各地的八座射電望遠鏡相連接，產生了一個望遠鏡網絡。這個技術叫做VLBI（甚長基線干涉測量技術），需要每個望遠鏡的時間達到完全的同步。

因此，每個望遠鏡都配有先進的原子鐘，使得世界各地的望遠鏡可以在同一時刻接收同一射電源的信號，各自記錄下來，然後將數據（物理）移動到數據中心進行比對處理﹐最終得到一個清晰的圖像。EHT中距離最遠的兩台望遠鏡分別位於西班牙格拉納達市和美國夏威夷莫納基亞山，相距約13000公里。因此，EHT等效於地球大小的望遠鏡。

EHT成員如下：

· 南極望遠鏡(South Pole Telescope)

· 位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA)

· 位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment)

· 位於墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope)

· 位於美國亞利桑那州的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Telescope)

· 位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT)

· 位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡陣(Submillimeter Array)

· 位於西班牙的毫米波射電天文所的30 m毫米波望遠鏡

Credit: Harvard   

https://v.qq.com/x/page/c08598qq93b.html（EHT簡介）

第二，即使我們有了口徑等同於地球直徑大小的望遠鏡，我們仍無法獲得關於黑洞的全部信息。因為一座望遠鏡只能獲得黑洞的一部分信息，而我們無法在地球上建滿望遠鏡，因此我們得到的數據就如同聽到的用有壞鍵的鋼琴演奏的曲子一樣。雖然聽到的音符並不完整，但我們的大腦仍能還原出曲子的主要旋律，EHT的科學家們開發的圖像生成算法就與此類似。但是，數據的有限性導致我們只能觀測到黑洞的某些特徵，符合這些特徵的備選圖片有很多，就如同有相似前奏的樂曲有很多一樣。

因此，我們需要在不過度提供某類圖片特徵的情況下，告訴我們的算法，一張正常的圖片應該是什麼樣。做到這一點的一種方法是，向算法展示擁有不同特徵的圖片，然後看看這些圖片會怎樣影響重建的結果。如果不同類型的圖片都產生出了差不多的圖像，那麼我們便可以更有信心了，我們對圖片的假設並沒有導致結果出現太大偏差。

一個不嚴謹的例子是，假如我們讓算法使用觀測數據還原成一張狗的照片，其結果還是非常接近我們對黑洞圖片的預測，那就説明我們對黑洞圖片的預測是準確的。

第三，數據量大，難以處理。儘管每年EHT的觀測窗口只有十天，但是每晚接收到的數據量可達2PB(1PB=1000TB=1000000GB)，相當於歐洲大型強子對撞機一年的數據量。由於數據量十分龐大，且無法通過網絡傳輸，因此被儲存在硬盤裏，送往MIT的海斯塔克天文台和德國波恩的馬普射電所進行處理，這是科學家們能想到的最快的方式了。

儲存觀測數據的硬盤

Credit: KATIE BOUMAN

第四，要想實現八座望遠鏡的同時觀測，這些望遠鏡所在地必須天氣適宜。雖然射電望遠鏡的觀測波段位於大氣窗區（能良好穿過大氣，被反射和削減較少的波段）且相對於光學望遠鏡來説受天氣影響較小，但是由於這八座望遠鏡分佈範圍較廣，因此一般處在不同的天氣區中，有不同的天氣現象。加之精密儀器極易受到損壞，能用來觀測的時機只有這八個地方的天氣均晴朗適宜的時侯。平均每年只能找到十天左右的觀測窗口，因而觀測機會十分寶貴。

黑洞的照片有何用處？

首先，當然是滿足人類的好奇心了，那麼神秘的一個天體，誰不想看看它到底長什麼樣子呢？

此外，它還有重大的科學價值。包括：

1.檢驗相對論

愛因斯坦的廣義相對論將時空的彎曲與能量的分佈和移動相聯繫，大質量的物體會使時空變形。儘管已經利用一些實驗進行了檢驗，比如用原子鐘證實離地球中心越近時間流逝地越慢；行星的運行軌道並不完全符合萬有引力定律；日全食時愛丁頓爵士測得的星光的偏折等等，但是這些現象與黑洞附近的極端環境相比簡直是小巫見大巫。

廣義相對論是否適用於黑洞一直的爭議的話題。將我們拍攝的黑洞照片與廣義相對論預言的進行對比，就可以知道愛因斯坦是否正確。

2.深入瞭解黑洞吸積盤

如果物質離黑洞不近並且只受到引力時，它只會像地球圍繞着太陽一樣不停地旋轉，摩擦力在黑洞的“進食”過程中起到了很大的作用，這個過程叫做吸積。摩擦力使得氣體所攜帶的引力能得到釋放，這些釋放的引力能會加熱吸積盤中的氣體，形成環繞黑洞的高温氣體圓盤，然後落入黑洞。由於黑洞質量非常大，非常緻密，物質需要釋放很大的能量才能落入黑洞，所以吸積盤會很明亮。

利用拍攝的黑洞照片，我們要弄明白，為什麼人馬座A*的吸積盤如此暗淡，以及使黑洞得以進食的摩擦力是怎麼產生的。

3.認識相對論噴流

很多星系中都出現了大規模的來自黑洞快速等離子噴流。M87中的噴流這種噴流以接近光速的速度延伸到5000光年以外。黑洞的照片將對我們瞭解這種奇妙的天體物理現象提供幫助。 

人馬座A 一個有着噴流和洛希瓣的射電星系

Credit: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al./MPIfR/ESO/WFI/APEX/A.Weiss et al.

我們何其有幸，成為首批看到黑洞照片的人類。這個宇宙中最神秘莫測的天體如今展現在我們的眼前，5500萬光年外的驚心動魄化為這張有些模糊的照片。當愛因斯坦的預言成為現實，我們這些站在巨人肩膀上的人們理應為之嘆服，理應為人類而驕傲。但還有太多未知等待我們去探索，探索黑洞，探索奇妙的宇宙，探索我們的未來。這張照片正是人類前進的底氣和決心的最好詮釋。

參考資料：

https://eventhorizontelescope.org/science

《基礎天文學》劉學富

 https://zh.wikipedia.org/wiki/blackhole

 https://baike.baidu.com/item/甚長基線干涉測量/8768745

『天文時刻』 牧夫出品

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