黑洞藝術(shù)想象圖。（中國科學(xué)院上海天文臺供圖）
事件視界望遠鏡由位于四大洲的數(shù)個射電望遠鏡組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠鏡的“基線”，由此構(gòu)成了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h鏡。
（來自事件視界望遠鏡項目組）
對本次拍攝黑洞作出重要貢獻的南極SPT望遠鏡。（來自百度網(wǎng)）
本文由中科院中國科普博覽微信公號與本版共同推出。作者為《黑洞來客》團隊成員，其中茍利軍為中科院國家天文臺研究員、國家天文臺恒星級黑洞爆發(fā)現(xiàn)象研究創(chuàng)新團組負責(zé)人。
北京時間4月10日，人類首張黑洞照片在全球六地的視界望遠鏡發(fā)布會上同步發(fā)布。經(jīng)過漫長的等待，在全球200多位科學(xué)家的努力之下，第一幅黑洞照片新鮮出爐。
長久以來在電腦上模擬得到的黑洞形象，第一次真實地呈現(xiàn)在我們的眼前。在這張來自視界望遠鏡的照片里，M87中心黑洞如同電影《指環(huán)王》中索倫的魔眼，在溫暖而神秘的紅色光環(huán)中間，是一片深黑的無底之洞。
這個圓環(huán)的一側(cè)亮一些，另一側(cè)暗一些，原因在于吸積盤的運動效應(yīng)——朝向我們視線運動的區(qū)域因為多普勒效應(yīng)而變得更亮，遠離我們視線運動的區(qū)域會變暗。中間黑色的區(qū)域就是黑洞本身——光線無法逃離之處。
1968年，美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”的概念，而100多年前德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西就為黑洞作出了精確解。今天我們收獲了第一張黑洞的照片，人類對黑洞和宇宙的認識又邁出了關(guān)鍵一步。
在2017年4月全球數(shù)個射電望遠鏡陣列組成虛擬望遠鏡網(wǎng)絡(luò)事件視界望遠鏡（EHT）并拍下第一張黑洞照片之時，我們就曾寫到：“人類第一次看到黑洞的視界面，無論我們最終得到的黑洞圖像是什么樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘，或者只有幾個模糊的像素點——事件視界望遠鏡都意義非凡，這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結(jié)果不僅僅是一張照片那么簡單，它一方面呼應(yīng)著愛因斯坦的廣義相對論，另一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批‘看見’黑洞的人類，真是好運氣。”
兩年之后，這張寶貴的照片終于呈現(xiàn)在我們眼前，同時它讓我們思考下面的一些問題。
①這張值得全世界六地同時興師動眾發(fā)布的照片，究竟是怎么拍出來的？
在過去10多年間，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了其它研究機構(gòu)的科研人員，開展了激動人心的“事件視界望遠鏡”項目，全球多地的一系列亞毫米射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測。
事件視界望遠鏡由位于四大洲的數(shù)個射電望遠鏡所組成，構(gòu)建了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h鏡。它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。
事實上，亞毫米波段和我們非常熟悉的可見光有著天壤之別。這個波段我們是無法直接看到的，利用亞毫米波段給黑洞拍照，其實就是得到黑洞周圍輻射的空間分布圖。
對于我們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片來說，它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點以后，我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。
雖然是在單個頻率進行亞毫米波段觀測，但由于黑洞周圍不同區(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強度不同，我們可以得到一個光子強度分布圖，然后我們假定不同的強度對應(yīng)著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個人喜好自行設(shè)定的顏色。
②電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞有著深不見底的黑色中心與立體清晰的氣體圓環(huán)，此次發(fā)布的照片里的M87為何模糊許多？
與光學(xué)照片一樣，清晰度根源于分辨率。要提高望遠鏡分辨率，可從兩方面努力：一是降低觀測頻段光子的波長（等價于增強能量），二是增加望遠鏡的有效口徑。利用全球不同地方的望遠鏡聯(lián)網(wǎng)，我們得到了一個口徑超大的望遠鏡，并在相關(guān)技術(shù)相對成熟的射電波段內(nèi)，選擇了能量最高的毫米和亞毫米波段。
值得注意的是，有效口徑取決于望遠鏡網(wǎng)絡(luò)中相距最遠的兩個望遠鏡之間的距離。2017年，一系列亞毫米波望遠鏡加入觀測，2018年北極圈內(nèi)格陵蘭島的亞毫米波望遠鏡加入，基線長度增加，提高了分辨率。
雖然我們現(xiàn)在的亞毫米望遠鏡基線已達到了1萬公里，但空間分辨率剛達到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測的有限區(qū)域內(nèi)，就相當(dāng)于只有有限的幾個像素。在《星際穿越》中，天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞形象——包括吸積盤的許多具體細節(jié)——都通過技術(shù)手段呈現(xiàn)了出來，然而在真實的情況下，我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。
既然我們可以將兩個望遠鏡放置得很遠實現(xiàn)更高分辨率，那么能否只用兩個望遠鏡來完成黑洞照片呢？很遺憾，不行。觀測要求的不僅僅是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細節(jié)，而高靈敏度則能夠讓我們看到更暗的天體。
③視界望遠鏡2017年開始拍攝，近日才發(fā)布成果，為什么這張“簡單”且“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？
首先，望遠鏡觀測到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年，望遠鏡的數(shù)據(jù)量達到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量使處理的難度不斷加大。
其次，在數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運動有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學(xué)家們還專門開發(fā)了特定的程序和工具。
再次，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理的時候，嚴謹?shù)目茖W(xué)家們在兩個不同的地方分別處理、分別驗證。全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個數(shù)據(jù)中心，一個是位于美國的麻省理工學(xué)院，另外一個是位于德國的馬普射電所。二者彼此獨立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗證和校對，保證了最終結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
④黑洞研究歷時已久，4年前引力波已經(jīng)讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？
簡單地說是因為黑洞區(qū)域?qū)嵲谔×恕巴h鏡角分辨率或者放大倍數(shù)不夠，在過去幾年中，我們才真正實現(xiàn)了能夠看到黑洞附近區(qū)域的分辨能力。
其實，早在2017年進行全球聯(lián)網(wǎng)觀測之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時間，并且利用望遠鏡陣列當(dāng)中的幾個進行了聯(lián)網(wǎng)嘗試，探測了銀河系黑洞附近的區(qū)域，結(jié)果確實在亞毫米波段探測到了周圍的一些輻射，這給了團隊很大的信心。
在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實存在的電磁觀測數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的——少數(shù)科學(xué)家會提出一些怪異的理論來作為黑洞的替代物，因為我們并沒有直接觀測到黑洞的模樣。
2016年探測到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對于更傾向于“眼見為實”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探測到之后，視界面望遠鏡并沒有放棄觀測，反而以全球聯(lián)網(wǎng)的方式，把這一探測技術(shù)推向了極致。
⑤如此大費周章，除了滿足人們“眼見為實”的心愿，黑洞照片對于驗證相對論、揭秘星系演化有何意義？
直接成像除了幫助我們直接確認了黑洞的存在，同時也通過模擬觀測數(shù)據(jù)驗證了愛因斯坦的廣義相對論。在視界望遠鏡的工作過程和數(shù)據(jù)分析過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，所觀測到的黑洞陰影和相對論所預(yù)言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。
另外一個重要意義在于，科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個獨立的測量。在此之前，精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。
受限于觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運動、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機制，完善我們對于星系演化的認知與理解。
⑥本次拍攝所用的“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照片嗎？
科學(xué)家之前探測黑洞，是通過探測黑洞周圍的吸積盤或者黑洞噴流產(chǎn)生的輻射，來間接地探測黑洞的存在。從理論上講，任何能夠產(chǎn)生輻射的黑洞都是適合拍照的，但受技術(shù)限制，我們只能選擇拍攝到那些看起來非常大的黑洞，這樣才有可能看到黑洞周圍的一些細節(jié)。
視界望遠鏡此次觀測其實選定了兩個目標(biāo)：一個是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量為450萬倍的太陽質(zhì)量，距離地球2.6萬光年；另外一個是位于M87星系中心的黑洞，其質(zhì)量為65億倍的太陽質(zhì)量，距離地球5300萬光年。
黑洞半徑通常以史瓦西半徑來描述，與黑洞質(zhì)量成唯一正比關(guān)系，如果我們將視界大小定義為黑洞直徑和黑洞距離的比值，那么我們可以知道，銀河系中心黑洞的視界大小約為M87中心黑洞視界大小的1.4倍。這是我們知道的最大的兩個黑洞，而那些質(zhì)量只有幾十個太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，盡管距離相對比較近，但是因為其質(zhì)量過小等因素，更難被望遠鏡捕捉。
⑦既然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞這么大、距離這么近，為什么這一次只發(fā)布了更為遙遠的M87的照片，而沒有銀河系中心黑洞的照片呢？
M87中心黑洞附近氣體活動比較劇烈，我們之前已經(jīng)觀測到了它所產(chǎn)生的強烈噴流，相較之下，銀河系黑洞的活動不那么劇烈。
另外一個很重要的原因是，太陽系處在銀河系的銀盤上，在我們試圖利用視界望遠鏡探測來自于黑洞周圍的輻射或光子的時候，這些光子會受到傳播路徑上星際氣體的影響——氣體會散射這些光子，將觀測結(jié)果模糊化。
M87是一個包含氣體很少的橢圓星系，受到的氣體干擾相對少很多，科學(xué)家們可以比較順利地進行觀測。我們在大氣層之內(nèi)觀測天體時也會有類似情況，因為大氣擾動的緣故，望遠鏡的分辨率有時很難達到理想狀況。消除星際氣體散射的效應(yīng)是科學(xué)家接下來需要克服的一個重要難題。
⑧中國科學(xué)家在“黑洞照相館”中發(fā)揮了什么作用？
中國大陸的望遠鏡并沒有直接參與到視界面望遠鏡的觀測當(dāng)中，最直接的原因在于，中國大陸兩個建好的亞毫米波望遠鏡（一個是位于青海德令哈的13.7米望遠鏡，另一個是位于西藏的CCOSMA望遠鏡）不具備相關(guān)技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)功能。但即使它們可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，同步觀測也無法實現(xiàn)，因為它們正好位于靈敏度非常高的ALMA陣列的背面位置。
廣為人知的中國FAST天眼望遠鏡也沒有機會參與到視界面望遠鏡的觀測行列。首先，其工作波段不適宜；其次，其所處環(huán)境濕度較大，不適宜。亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣所吸收，視界望遠鏡都位于海拔比較高而且干燥的地方，比如ALMA望遠鏡就位于海拔5000多米的沙漠當(dāng)中。
位于夏威夷的麥克斯韋望遠鏡是EHT聯(lián)合觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之一，有中國科研機構(gòu)參與其中，為視界望遠鏡提供了必不可少的觀測保障。
部分中國科學(xué)家也參與了后期的數(shù)據(jù)分析和討論，為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻。