為了看到黑洞，我們“造”了個地球那麼大的望遠鏡！_風聞

造就第439位講者 左文文

中科院上海天文台團委書記

“看見”黑洞，一直是人類的夢想。

今天我就給大家講一個關於黑洞的故事。我想告訴大家：

我們為什麼要拍一張黑洞的照片？

我們是怎樣拍攝它的？未來，我們還有怎樣的期待？

為什麼要給黑洞拍照？

大家可能知道，這張照片拍攝的，其實是5500萬光年之外一個長得像橄欖球一樣的星系中心的超大質量黑洞。它的質量是太陽質量的62億倍。

我們知道，在宇宙中的每一個大質量星系裏，也包括我們的銀河系，都存在着一個超大質量的黑洞。

我們已經通過一些間接的方法去判斷它們的存在，就好像我們看不到風，但是可以看到風吹動落葉、旗幟，來判斷風的存在。

類似的，我們也已經通過一些方法間接地判斷黑洞是存在的，比如説觀察它周圍的恆星氣體發出的光，或者是兩個黑洞打架產生的引力波。

可是，我們還不滿足。人類的好奇心和探索欲，驅使着我們想要知道：

黑洞——它究竟長什麼樣子？

我可不可以更直接地去看到黑洞？

這就是為什麼我們要給黑洞拍一張照片。

給黑洞拍照，究竟有多難？

黑洞，它那強大的引力使得周圍的氣體會向中間下落。在這個過程中，氣體是轉動着下落的，就像我們打開洗臉池的出水口，你會發現池子裏的水是一邊轉一邊往下流動的。

黑洞也一樣，周圍的氣體，一邊旋轉一邊向黑洞中心掉落，最後會在黑洞周圍形成一個發光的腰帶，我們稱之為吸積盤。

還有一些氣體沒有被吸進去，這些氣體很可能會向外噴射出去，產生噴流。

那麼這時候大家會意識到，黑洞其實並不真的是全黑的，在黑洞的周圍，有吸積盤、噴流，這些物質都會產生光。

可是，在黑洞視界附近，引力非常強，以至於將光線都彎曲了。

可以想象一下，本來光子都是直線傳播的，可是到了黑洞附近，不好意思，它能讓你跑的路線都變彎了，還能讓你圍着黑洞繞圈圈，進而在積累效應下形成一個亮環。光環的內側因為顯得比較暗，所以稱作陰影。

這個光環的半徑有多大呢？我們來看一下這張圖。

左側的圖是我們觀測得到的，中間那張圖是經過數值模擬的結果，。

大家會發現，觀測到的好像也沒有那麼很高清。理論模擬告訴我們，在距離黑洞中心大約2.5倍黑洞半徑的區域，會形成一個光環。所謂黑洞的半徑，大家可以理解成是在黑洞周圍光都無法跑出去的勢力範圍。

換算成數值的話有多大呢？如果我們把太陽壓縮成一個史瓦西黑洞，它的勢力範圍（半徑）就是3000米，也就是3000米內的光線都不能逃出去。

在我們自己的銀河系中心，有一個相當於410萬倍太陽質量的黑洞。大家可以算一下，一個太陽質量的黑洞，勢力範圍是3000米，那如果是400萬個太陽質量的黑洞，勢力範圍就是1200萬千米。

用上面提到的2.5倍係數換算一下，就能得出這個黑洞光環的直徑大概是7000多萬千米。光環很大，聽起來好像不難拍，但是如果我告訴你它距離我們有多遠呢？

26000光年。

26000光年相當於是250億億千米，這麼遠的距離想拍到一個直徑7000多萬千米的環有多困難呢？

我們小時候都用過量角器，滿月時從地球上觀測月亮的大小，大約是量角器上的0.5度那麼大。

如果從地球去觀測這個黑洞的話，它的光環大小，大概只有量角器上的一億分之一度那麼大。

你們可以想象它有多麼多麼小了，這樣的情況下，我們該如何拍到它？

其實，我們人類的眼睛就是一個小型望遠鏡，只是我們看東西用的是可見光波段。而可見光波段的波長，大概是6000埃（1埃=0.1納米），換成長度相當於是600納米。

如果我們在可見光波段去觀測這個黑洞，望遠鏡的口徑需要造到6千米那麼大；

如果用紅外波段去觀測黑洞，望遠鏡口徑得造到15千米；

如果用毫米波去觀測，望遠鏡要造到1萬千米那麼大；

用米波的話，望遠鏡得造到1000倍的地球那麼大……

這麼大的望遠鏡，能造出來嗎？

事實上，目前地球上最大的單口徑光學和紅外望遠鏡，也就十米那麼大，從十米跳躍到六千米，可不是通過努力就可以實現的飛躍。

但是如果用毫米波觀測呢？地球那麼大的單個望遠鏡造不出來，但我們有一種技術，叫做VLBI——甚長干涉測量技術。

這種技術的原理是這樣的：假設地球上有四台望遠鏡，東南西北四個方向，我們共同構成了一個網絡，這時候我們共同構成的這個等效望遠鏡，它的等效口徑，相當於最遠的兩台望遠鏡之間的距離。

這樣的話，如果我能夠在夏威夷這個位置裝個望遠鏡，在南極再裝個望遠鏡，我的口徑是不是就很接近地球的直徑了？

**通過這樣的技術，我們實現了一個等效口徑和地球直徑相當的望遠鏡。**全世界的科學家一起，在全球六個地點，八個台站，構成了一個EHT的網絡，也就是事件視界望遠鏡網絡。

我們去對兩個黑洞的模特進行拍照，一個是自己老家銀河系的黑洞，還有一個是距離我們5500萬光年之外的M87星系中心的黑洞。

2017年我們共同進行了拍照，花了十天的時間，獲得了海量的數據。

這個數據有多大？

對於M87，我們使用了來自七個天文台差不多是五天的數據，大小有3500T。

1T是1000個G，我們平常看的高清電影，最多2G。如果把所有這些數據換算成大家看的電影，從早看到晚，一個人要300年才能把這些數據全都看完。

如此大的數據量，再把不同的望遠鏡的數據進行時間延遲的修正等等相關處理、分析。即使有如此強力的超級計算機、如此高效的算法，我們依然花了近兩年的時間，才完成了數據處理。

直到2019年4月10號，這張黑洞的照片，終於發佈出來了！

用科學的方法打開這張黑洞照片

接下來我告訴大家如何去解讀這張照片。

首先，我要告訴大家的是，這張照片的顏色——不重要。如果你喜歡用藍色、綠色，都可以。

那什麼最重要呢？

沒錯，就是這張照片上的亮度。亮度反映的是，黑洞在毫米波這個波段，不同空間區域它的亮度分佈。

首先你能在照片上看到一個環，它的南部好像更亮，也就是它有不對稱性。

為什麼會不對稱呢？

假設這個環是正對着我們，我們會覺得上面和下面應該是一樣亮的。但是，如果黑洞光環下面的部分偏向我們一點，那麼下面就會看起來更亮一些。它的形成原理是多普勒效應。

現在我們看到的是M87星系中心的黑洞，未來的話我們還能看到銀河系中心的黑洞。而這樣一些照片背後，是一個莫大的團組，由200多名科學家組成。

這其中，來自中國大陸的科學家有16位，他們在參與EHT合作之前，已經在黑洞的高分辨率成像和理論分析工作上有了諸多積累。

從前期的國際合作的推動，到望遠鏡使用時間的申請、去四千米海拔的望遠鏡場地進行現場觀測，再到數據的相關處理、分析，後期論文的寫作，全程都有中國學家的身影。

最重要的是，EHT的“八大金剛”（望遠鏡）當中，位於夏威夷的一台望遠鏡JCMT是我們中國大陸出錢出力運營的，這是一個非常了不起的貢獻。未來我們還在期待銀河系中心黑洞的照片誕生。

對這些黑洞照片的研究，對它背後數據的研究，能讓我們更好地瞭解黑洞、引力，甚至於整個宇宙。

希望大家能夠因此明白，黑洞不是科幻小説裏虛構出來的。黑洞，不黑。

互動話題：

你覺得從黑洞能通往另一個宇宙嗎？