見證歷史！第一張黑洞照片誕生，無比震撼！

　　多年以後，如果回想起2019年科學史上的輝煌時刻，那4月10日一定算一個，因爲就在剛剛，又一個重大突破被公之於世：我們目睹了歷史上的第一張黑洞照片！

　　話不多說，先上圖。

　　《皇帝的新洞》

　　據說只有聰明人能看到黑洞

　　好震撼的，不是嗎？

　　在如此嚴肅的劃時代大事件面前，自然……要皮一下啊~好了，真貨來了！！！

　　發佈會現場

　　歷史上第一張黑洞照片 EHT

　　黑洞視界的樣子和結構（電腦模擬）與實際很吻合 EHT

　　01三句話告訴你啥是黑洞？

　　也許你對於黑洞的印象還停留在電影《星際穿越》中的經典一幕，你也許會好奇，爲何電影中的巨大黑洞竟然不黑，反倒十分明亮？這就要先回答：到底啥是黑洞？

　　《星際穿越》中的黑洞

　　如果用通俗的三句話來概括這一問題的話，那就是：

　　1. 黑洞是一類特殊的天體，它們由大質量的垂死恆星演化而來，黑洞中心存在一個“奇點”，其密度無限大，時空曲率無限大，體積無限小。可以想象成把一個巨大的恆星塞進一個極小的小點內，此時這個小點會因爲其強大的引力場而吞噬周圍的一切。

　　2. “奇點”周圍會形成一個叫做“視界”的界面結構，可以簡單理解成黑洞的邊界，進入此邊界的任何事件，包括光本身，都無法再逃逸。這也是黑洞一詞中“黑”的含義。

　　3. 由於上述特點，黑洞無法直接觀測，但是因爲黑洞的引力場會影響其周圍的事物（比如吸積吸積盤，即黑洞在吞噬另外一顆恆星時，被吞噬恆星氣體繞黑洞旋轉所形成的明亮氣體盤），因此可以根據這一特性間接證明並觀測黑洞的存在。

　　根據模擬，選擇密度不同情況下，黑洞的不同結構

　　來源：

　　https://astrobites.org/2011/06/05/the-many-modes-of-black-hole-accretion/

　　說道這，也許你就會明白，電影《星際穿越》中的“黑洞”如此明亮，其實明亮的部分是“視界”之外的光子，它們因爲引力作用而繞黑洞旋轉，於是形成了明亮的光環結構。

　　順便一提，這部電影的執行製片人就是一名資深天體物理學家，電影中壯觀的黑洞模型是通過30人，上千臺計算機，歷時一年的建模和驗算才勾勒出來，實屬不易。

　　02瘋狂的科學家

　　不過，圖像再壯觀精美，也無法掩蓋這樣一個事實：這些圖像是由計算機模擬而成，雖然這後面有強大的愛因斯坦相對論作爲理論基礎，但是，如果愛因斯坦錯了呢？那基於一個錯誤的理論模型得出的黑洞形象豈不是完全跟事實不符？

　　這樣的想法似乎很瘋狂，但科學的路上卻永遠不會缺乏這樣的勇士。

　　從2014年開始，全球各地的天文學家發起了一項極富想象力的國際聯合項目，他們要在全世界的8個不同地點，利用8組最先進的射電望遠鏡建立有史以來最大的虛擬望遠鏡：事件視界望遠鏡（EHT）。

　　EHT之一的南極望遠鏡

　　Keith Vanderlinde, National Science Foundation

　　EHT之一的智利ALMA望遠鏡 ESO/C. Malin

　　而這一瘋狂任務的宗旨就是：拍攝到有史以來第一張黑洞細節的照片。正如項目的發起人之一丹·馬龍所說：“建造EHT的目的是驗證愛因斯坦的廣義相對論，瞭解黑洞如何吞噬物體和噴射噴流，以及證明黑洞的邊緣，即黑洞的視界的存在。

　　這8個地點遍佈在全球各個角落，分別位於西班牙，法國，墨西哥，智利（2臺望遠鏡），夏威夷，亞利桑那，甚至連南極都有涉足。所有的觀測數據會集中到麻省理工學院和德國馬普射電所，在那裏做數據處理，分析，並最終合成有史以來第一張黑洞照片。

　　EHT望遠鏡所在位置 EHT

　　視界望遠鏡每晚上產生的數據量高達1000000 GB，這對於整個數據分析團隊而言是一次極大的考驗。

　　本次拍攝任務組的部分成員 EHT

　　這一過程耗時兩年，牽涉到超過30個頂尖科研團隊，他們的“瘋狂”終於在這一刻創造了歷史。

　　參與EHT項目的科研團隊

　　03三座大山之一：黑洞在哪？

　　“這是一個幾乎不可能完成的任務。”凱蒂·伯曼說這是自己接到這個任務時候的第一反應，她是麻省理工學院的博士生，在EHT項目中負責數據和圖像的處理。

　　前文已經說明，雖然我們無法直接觀測黑洞，卻可以通過間接的方式觀測其存在。所以所謂拍黑洞照片，實則是拍一張黑洞在後面明亮背景襯托下所留下的陰影。

　　不過，這一方式僅在理論上可行，實際操作起來卻不得不潑一盆冷水。

　　具體而言，有3個極大的困難，彷彿三座大山，擺在科學家面前。

　　首先，我們要找到一個黑洞。否則拍照則無從談起，科學家們把目光聚焦在離我們2.6萬光年的銀河系中心，通過16年之久的紅外線望遠鏡觀測，科學家們發現，這些離銀河系中心很近的恆星們都有着十分詭異的軌道，似乎它們在繞着一個質量極大卻又不發光的物體旋轉。

　　根據這些天體的運動軌跡，

　　科學家們推斷其中必有一個大質量的不可見物體，

　　後被證實爲黑洞

　　來源：www.reddit.com

　　經過推算，科學家們得出的結論是：我們銀河系的中心，存在一個超大質量黑洞，這一黑洞被稱爲Sgr A*，其質量大約是太陽的400萬倍，距離地球大約2.6萬光年。觀測的另一個目標是位於M87內的超大質量黑洞，其質量大約爲太陽的60億倍。

　　Sgr A*所在位置

　　 NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

　　04三座大山之二：遙遠的距離

　　其次，這個黑洞距離我們實在太遙遠了，從地球上看，它非常非常小。

　　所有的祕密都在上述公式中，由於衍射現象，我們所能看到的最小物體是有限制的。當想要看到的東西越來越小時，望遠鏡的口徑就需要變得更大。

　　一個形象的比喻是：給黑洞拍照就好比從地球上拍攝一顆月球表面的橙子。即使是功能最強大的光學望遠鏡，也無法拍攝到如此精細，下圖是有史以來拍攝的分辨率最高的月球表面照片，照片約包含1.3萬個像素點，而每個像素點裏放的下150萬顆橘子……其難度之大，可見一斑。

　　有史以來分辨率最高的月球表面

　　 TED（Katie Bouman:

　　How to take a picture of a black hole）

　　如果要製造一個足夠拍到黑洞細節的望遠鏡，這個望遠鏡的口徑將跟地球直徑一樣大！

　　顯然，這條路走不通。於是科學家們開了一個相當之大的腦洞，這也是“視界望遠鏡”的最精妙的所在。

　　兩個合併的黑洞示意圖

　　來源： https://giphy.com/gifs/sun-star-frPNVXlCZZxU4

　　我們在地球上精心選擇幾個典型的位置，並在這些位置放置望遠鏡，我們讓這些位置持續不斷的向着銀河系中心方向拍照，雖然我們沒法從這些照片中得到黑洞照片的細節，卻也可以得到一些模糊的像素點。

　　不過好在地球是會自轉的，如果我們讓這些望遠鏡時刻不停的朝着銀心方向拍照，在自轉的條件下，我們相當於在同一緯度上的各個點都拍下了相同位置的照片，如果我們設置的拍攝點足夠多，那麼我們就相當於擁有了一個地球那麼大的望遠鏡。

　　EHT望遠鏡的工作原理

　　 TED（Katie Bouman:

　　How to take a picture of a black hole）

　　如圖中上半部分，白色的亮點是地球上擺設望遠鏡的部分，這些望遠鏡能拍攝出右側完整圖像中的一小部分，這就好比把地球變成了一顆“迪斯科球”，當迪斯科球旋轉時（即地球自轉），鏡子會改變位置，而我們就可以看到圖片的各個部分。由此開發的生成圖片的算法可以將迪斯科球上的空缺部分填滿，從而建造出隱藏的黑洞圖片。

　　05三座大山之三：一個精妙的算法

　　先別急着爲科學家鼓掌，到這一步雖然已經是了不起的成就，卻離成功還有一步之遙。

　　如果我們能在地球上每一處都裝上望遠鏡，或者說能有整個迪斯科球，那麼就不存在這個問題了。但現在我們只有少量的樣本，所以，可能有無數張圖像符合望遠鏡所測量到的信息。