黑洞，宇宙中的當紅“大咖”，天文學界、物理學界的“寵兒”。巨大的質量、近乎於點的體積、吞噬一切的引力、無限高的時空曲率，就連光也無法逃脫它的“魔爪”。

　　圖源：NASA/Goddard Space Flight Center/CI Lab

　　自20世紀開始，人們對黑洞的探祕就從未停止過。然而，經過全球200多位科學家數年的努力，我們終於能在今年的4月10日看到第一張黑洞的照片，一睹它的風采。

　　過去科學家如何確定黑洞的存在？如今給黑洞“拍照”有何難點？“相機”在哪些方面取得了突破？首次“拍照”黑洞嘗試，對象選擇有何“訣竅”？

　　黑洞如何“刷存在感”

　　“黑洞體積很小，而且與地球的距離非常遙遠，限於單個望遠鏡的分辨率，我們無法直接看到黑洞。”中國科學院國家天文臺研究員苟利軍告訴科技日報記者。

　　雖然看不到它，但科學家很早之前就預知了它的存在。早在十八世紀，數學家拉普拉斯等人基於經典的牛頓萬有引力，提出了“暗星”的存在，這可以算是黑洞概念的雛形。

　　圖源：Metro

　　1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，給出了後世皆知的愛因斯坦場方程。1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，表明如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——事件視界面，一旦進入界面，即使光也無法逃脫。美國物理學家約翰·惠勒將之形象地稱爲“黑洞”。

　　自史瓦西得到黑洞的第一個解之後，許多物理學家也開始投身到對這種“不可思議的天體”的研究中。20世紀30年代，美國的“原子彈之父”奧本海默研究發現，恆星在一定環境下可以坍縮形成黑洞，這種觀點在近幾十年的數值計算中得到了證實。

　　恆星級黑洞系統示意圖

　　隨着天文觀測技術的發展，對於天體的研究顯然不會僅僅停留在計算的層面。但問題是，黑洞不同於其他天體，它既然連光都能吞噬，人類又怎能在茫茫宇宙中發現黑洞呢？

　　“科學家可通過測量黑洞對周圍天體的作用和影響，如吸積盤、噴流現象等，間接觀測或推測黑洞的存在。”苟利軍表示，物質在被吞噬時，會沿螺旋狀軌道靠近並落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤狀的吸積盤。在黑洞的引力下，吸積盤內物質落入黑洞的速度極快，物質之間的摩擦使它被加熱至數十億度的高溫，從而發出輻射。

　　黑洞“吸食”周圍的天體物質時，部分氣體在被“喫”之前會沿着旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。

　　電影《星際穿越》中的黑洞，周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤

　　吸積盤和噴流都是宇宙中極爲明亮的現象。1964年，美國科學家利用探空火箭在天鵝座區域偶然發現了一個非常明亮的X射線天體，科學家將其命名爲“天鵝座X-1”。它成爲了人類發現的第一個黑洞候選體。

　　這張照片是天鵝座X-1雙星系統的X射線照片，這是科學家們第一個懷疑是黑洞的天體。照片由美國宇航局馬歇爾空間飛行中心的一個小組於2001年5月23日拍攝。

　　這是一張天鵝座X-1的無線電波段圖像，打叉的位置標示出黑洞的位置。圖像左側(東側)是一團稠密的氣體雲，屬於星際塵埃物質。天鵝座X-1中的黑洞發出的強大噴流已經在這些氣體雲中吹出了一個“氣泡”，向黑洞的北側和西側(右側)膨脹。

　　此後，人們陸續發現了大量黑洞，這其中包括質量與天鵝座X-1差不多、相當於幾十倍太陽質量的恆星級黑洞，也包括幾十萬、上百萬倍太陽質量的超大質量黑洞。此前有科學家估算過，質量高於10個太陽質量的黑洞數目應該多於1億個。

　　視界面望遠鏡“大展拳腳”

　　僅僅通過間接信息來觀測黑洞顯然已經無法滿足科學家們的好奇心了。2017年4月5日，由位於南極、智利、墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、西班牙的8臺亞毫米射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測，利用甚長基線干涉測量技術(VLBI)將這8臺望遠鏡構建成一個口徑等同於地球直徑的超級“虛擬”望遠鏡——視界面望遠鏡（EHT）。

　　望遠鏡在全球分佈示意圖，紅點代表望遠鏡所在地(摘自nature.com)

　　“吸積盤的輻射主要是在可見光、紫外以及X射線波段。”苟利軍說，但在吸積盤之外，黑洞周圍還會存在不少高速運動的自由電子，這些以接近光速的速度運動的電子在電磁場的作用下會產生射電波段的同步輻射，從而爲視界面望遠鏡“拍照”創造了條件。

　　“本次觀測黑洞的亞毫米波段是射電波段中最短的部分，而虛擬口徑也擴大到了地球直徑大小，使虛擬望遠鏡的分辨率大爲提升，因此可以進行觀測黑洞的嘗試。”苟利軍告訴科技日報記者。

　　事件視界望遠鏡由位於四大洲的射電望遠鏡所組成，圖中的黃色線條爲連接這些望遠鏡的“基線”，由此構成了一架和地球大小相當的望遠鏡。

　　地球直徑大小的望遠鏡是如何煉成的？簡單說來，VLBI是把幾個小望遠鏡聯合起來，達到一架大望遠鏡的觀測效果。“利用VLBI技術將多臺望遠鏡組網觀測時，虛擬望遠鏡的口徑大小取決於其中距離最遠的兩臺望遠鏡之間的距離。”中國科學院國家天文臺研究員陳學雷在接受科技日報記者採訪時表示。

　　從參與觀測的8臺望遠鏡所處的地理位置來看，西班牙格拉納達市與美國夏威夷莫納基亞山距離約13000公里，與地球直徑相當。

　　位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列中的4面天線，該陣列的加入將會使得事件視界望遠鏡的靈敏度提高10倍。

　　“兩臺望遠鏡構成一條基線。最長的基線能提供目標天體最細緻的細節，而參與組網的望遠鏡越多，基線就越多，就能得到質量越好的合成圖像，讓人們看到目標天體在不同尺度的細節。”陳學雷說。

　　科學家們付出諸多努力打造出這臺“巨無霸相機”，用了數日進行“拍照”，但“洗照片”的過程卻花費了2年時間。爲何“沖洗”時間如此之長？

　　“這類觀測的數據處理並非只用一套現成的方法。多臺望遠鏡之間的鐘差、望遠鏡自身狀態隨時間的微小改變等問題都會影響觀測精度。另一方面，‘拍照’對象黑洞本身也在不斷變化，科學家需要探索新方法對‘相機’進行校準，建立模型，以提升合成圖像的質量和精度。”陳學雷指出，數據處理過程中需要根據處理結果不斷調整運算方法進行改進，加之數據量巨大，因此用時很長。有報道稱，爲了處理這些海量數據，美國麻省理工學院等機構的科學家開發了新算法，以加快數據分析。

　　位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠鏡(來自ALMA官方網站)

　　工作在射電波段的視界面望遠鏡正在“刷屏”，但我們是否有更好的選擇？中國科學院上海天文臺副臺長袁峯此前表示，如果用光學望遠鏡觀測黑洞需要達到幾公里的口徑，紅外望遠鏡需要達到10—100公里口徑。

　　“建設數公里甚至數十公里的單口徑光學或紅外望遠鏡顯然工程浩大、難以實現，而‘合衆之力’的干涉測量技術在上述領域中的應用也尚不成熟。”陳學雷表示，在目前技術水平下利用大口徑射電望遠鏡“組團”觀測是最爲現實的選擇。

　　選擇“拍照”對象有學問

　　在目前發現的大量黑洞候選體中，科學家爲何會“相中”人馬座A*黑洞和M87星系中心黑洞進行“拍照”？

　　“這兩個黑洞的視大小是我們所發現的黑洞中最大的兩個。”苟利軍告訴記者，視大小指我們從地球上觀測天體時，直接看到的天體大小。這取決於天體本身的直徑以及它與地球的距離。同樣大小的天體距離我們越遠，在天空中看起來就越小。

　　人馬座A*黑洞位於銀河系中心。“相對來說，人馬座A*黑洞並非是我們觀測到的最大質量的黑洞，但是它距離地球最近，被看作研究黑洞物理的最佳對象。”苟利軍表示，M87星系黑洞則以“胖”著稱，其質量估計可達幾十億倍太陽質量。

　　“以前關於黑洞的證據並不直接，此次‘拍照’能獲得最爲直接的證據，給兩個黑洞‘驗明正身’，確認之前的間接觀測和推測是否正確，也爲今後的研究和觀測提供一種檢驗方式。”苟利軍指出。

　　引力透鏡模擬的黑洞，可看出在星系背景扭曲的圖像

　　本次“拍照”還可爲一些基礎物理研究提供數據或解釋天文現象成因，如噴流的形成，科學家們希望能夠解釋黑洞自旋是否爲噴流提供了能量源。而通過觀察黑洞視界面的大小和形狀，或許能夠首次在超大質量黑洞周圍的極端空間驗證愛因斯坦引力理論。甚至，有人希望此次“拍照”能找到不同於黑洞的未知物體，用來解釋物質因爲自重塌縮時可能發生的情景。

　　百載汲汲求索，今朝何其幸運能夠見證第一張黑洞照片問世。當然，掀起黑洞甚至更多神祕天體的“蓋頭”，今天邁出的僅僅是第一步，未來我們會一直在路上。

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