這張圖像的意義非同一般，它提供了黑洞存在的直接“視覺”證據，使得在強引力場下驗證愛因斯坦廣義相對論，細緻研究黑洞附近的物質吸積與相對論性噴流成爲可能。

　　作者丨楊礪

　　編輯丨王進雨 趙澤

　　4月10日21時，全球六地（比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓）同時召開新聞發佈會，宣佈人類首次利用一個口徑如地球大小的虛擬射電望遠鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲世界上首張黑洞圖像。

　　這張圖像的意義非同一般，它提供了黑洞存在的直接“視覺”證據，使得在強引力場下驗證愛因斯坦廣義相對論，細緻研究黑洞附近的物質吸積與相對論性噴流成爲可能。

　　據介紹，此次發佈的黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞，其距離地球5500萬光年，質量爲太陽的65億倍。該圖像的許多特徵與愛因斯坦廣義相對論的預言完全一致，在強引力極端環境下進一步驗證了廣義相對論。通過研究這個圖像，人類將揭示出黑洞這類天體更多本質。

　　神祕面紗背後的黑洞究竟長什麼樣子？

　　本次發佈會的“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞，其質量是太陽的65億倍，距離地球大約5500萬光年。

　　公佈的照片展示了一箇中心爲黑色的明亮環狀結構，看上去有點像個橙色的甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。

　　圖片中即是M87星系中心超大質量黑洞（M87*）的圖像，上方爲2017年4月11日的圖像，下方三個圖爲M87*在2017年4月5日、6日和10日的圖像。圖中心的闇弱區域即爲“黑洞陰影”（見下文），周圍的環狀不對稱結構是由於強引力透鏡效應和相對論性射束（beaming）效應所造成的。由這種上（北）下（南）的不對稱性可以定出黑洞的自旋方向。

　　爲什麼要給黑洞拍照？

　　首先，對黑洞拍照使我們能夠了解黑洞更多的細節特徵，有助於天文學家理解噴流、吸積盤等結構的形成機理，北京師範大學物理學系副教授張宏寶成介紹。

　　其次，此次拍攝的黑洞是一顆位於星系中央的大質量黑洞，被認爲與整個星系的演化關係密切，觀測得到的黑洞圖像有望爲我們揭示兩者間的聯繫與作用機理。

　　此外，黑洞附近廣義相對論效應非常明顯，一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，將時間和空間結合爲一個四維的時空，並提出引力可視爲時空的扭曲。這一理論做出了不少重要預言，其中之一便是：當一個物體的質量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界（event horizon) 之內——在這一黑洞的“勢力範圍”內，引力強大到連光都無法逃脫。

　　拍攝黑洞使我們有機會檢驗黑洞附近的真實情況是否符合廣義相對論的理論預言，再次檢驗了廣義相對論。

　　爲什麼拍這兩個黑洞？

　　事實上，黑洞並不是孤立存在的，黑洞的中心是一個奇點，它的周圍存在大量氣體，據黑洞研究專家、國家天文臺研究員苟利軍教授介紹，由於黑洞的強大引力，氣體會朝黑洞下落。而當這些氣體被加熱到數十億度高溫時，便會發出強烈的輻射。同時，黑洞也會以噴流和風的形式向外噴射物質和能量。

　　不過，雖說黑洞的陰影能被“看到”，但也不是所有黑洞都符合成像條件。由於黑洞事件視界的大小與其質量成正比，這也就意味着黑洞的質量越大，事件視界就越大，也越適合成像。因此，距離我們近的超大質量黑洞是完美的黑洞成像候選體。

　　用這一虛擬望遠鏡“拍照”的兩個目前已知最優的候選體，一個是銀河系中心黑洞Sgr A* ，一個是近鄰射電星系M87的中心黑洞M87*。

　　此前，距離地球2.6萬光年的Sgr A*從未被直接看到過，但其附近的恆星會受到它的影響，因此科學家認爲，它真實存在。

　　此外，由於人馬座A*被宇宙塵埃和氣體包圍，觀測難度大大增加。天文學家集中了位於南極洲、美洲和歐洲的6個地方的8臺望遠鏡，組成“事件視界望遠鏡”，共同發射能穿透黑洞周圍密集星雲的窄頻無線電波，來“對焦”這個著名的黑暗之地。

　　爲了增加探測靈敏度，EHT所記錄的數據量非常龐大。2017年4月份的觀測中，每個臺站的數據率達到驚人的32Gbit/s，8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數據（相當於350萬部電影，至少要幾百年才能看完！）。

　　EHT採用專用硬盤來記錄數據，再把它們送回數據中心進行處理。在那裏，研究人員用超級計算機矯正電磁波抵達不同望遠鏡的時間差，並把所有數據做互相關綜合處理，從而達到信號相干的目的。

　　在此基礎之上，通過對這些數據經過近兩年時間的後期處理和分析，人類終於捕獲了首張黑洞圖像。

　　“事件視界望遠鏡”(EHT)項目是什麼？中國也有參與者

　　2017年4月，“事件視界望遠鏡”啓動對黑洞拍照，“沖洗”用了約兩年時間。包括中國科學院上海天文臺在內的一些國內機構參與了此次國際合作。

　　此外，我國科學家長期關注高分辨率黑洞成像研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次EHT合作中，中國科學家在早期共同推動了EHT的合作並參與了EHT望遠鏡觀測時間的申請，同時協助JCMT望遠鏡開展觀測並參與數據處理和結果理論分析等，爲EHT黑洞成像做出了積極的貢獻。

　　事件視界望遠鏡項目合作由13個合作機構組成，中國科學院天文大科學中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中國科學院國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立，其中上海天文臺牽頭組織協調國內學者參與了此次合作。

　　中國科學院上海天文臺研究員、副臺長、學術委員會主任袁峯曾介紹，直接觀測到黑洞相當於是給彎曲的時空拍照，需要望遠鏡有很高的分辨率。如果採用毫米波望遠鏡觀測，根據公式測算，它的口徑需要達到“地球直徑”一樣的長度。如果用光學望遠鏡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。而人類目前建造最大的望遠鏡是口徑只有500米的射電望遠鏡，位於我國貴州。

　　要想“視線”觸及遠距離黑洞，並能穿透瀰漫氣體及高溫氣體，就需要有一個與地球體型相當的巨型望遠鏡才行，“事件視界望遠鏡”（EHT）完成的正是這個任務。

　　事件視界望遠鏡並不是一個傳統觀念的觀測平臺，而是由位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天線組成觀測陣列，根據加州大學伯克利分校天體物理學家賈森?德克斯特介紹：“這個觀測計劃是一個前所未有的實驗，我們將獲得更加清晰的黑洞周圍圖像信號。

　　他表示，如果這一技術走向成熟，那麼可在未來幾年內提供令人驚訝的觀測結果。“從地球上觀測人馬座A *，就如同我們觀測月球上的一顆柚子，但是事件視界望遠鏡卻可以勝任這一任務，它的分辨率可以觀測月球上一個大小接近高爾夫球的物體。”