第一張黑洞照片是如何拍出來的？你想知道的都在這裏了！

　　有史以來第一張直接成像的黑洞照片終於出來了！

　　國家科學基金會（NSF）剛剛全球同步，發佈了2017年4月拍攝的室女A星系（M87）中心的黑洞照片。雖然我有點小小的失望，一是此前就以吊足我們胃口的銀河系中心黑洞照片並沒有出來；二是直接成像的黑洞照片並不像此前期待中那樣極度壯觀，事前想象的驚掉下巴也楞沒掉下去。不過這畢竟是人類歷史上第一次直接拍攝到黑洞照片，肯定有很多朋友急切地想知道，爲什麼我們看到第一張黑洞照片如此模糊，拍攝會如此艱難，需要等待如此漫長的時間，以至一生研究黑洞，對黑洞理論發展做出主要貢獻的英國著名理論物理學家霍金，也無法在有生之年一睹它的風采，而抱憾離去。

　　黑洞是什麼？

　　雖然大家早已對黑洞熟悉得不能再熟悉了，我首先還是要提出這個問題。我們的宇宙極爲空曠，相當於平均每四立方米空間裏只有一個質子，然而這並不是宇宙的真實情況，因爲絕大多數物質都聚集在一起，形成了星系、恆星及行星等天體，宇宙中絕大多數地方的密度比這還要小得小得多！宇宙就像一張巨大的，無邊無際的網，星系、恆星、行星等物質就是網本身，而網間的空白則是宇宙真空，所有天體都靠引力編織在一起。

　　在我們眼裏的宇宙，恆星佔據了絕對主力的位置，向上，它組成了星系，向下，它維繫着行星、衛星及小行星、碎片等組成的恆星系統，是我們地球生命之所以能誕生的關鍵。

　　宇宙中的恆星，都是由氫聚集在一起形成的。有質量很小的紅矮星，約佔宇宙中恆星總數的73%，我們太陽周圍最近的65顆恆星，有50顆都是紅矮星。由於紅矮星質量較小，氫在其中心聚變反應的速度較慢，因此可以穩定燃燒數萬億年到十幾萬億年的時間，而目前宇宙整個才形成137億年，因此對我們來說，紅矮星幾乎可以說是永恆的存在，沒有生命的盡頭。

　　像我們太陽大小的恆星，其壽命大約有100多億年。在生命週期的末期，太陽會因核心溫度升高加快氫聚變，釋放更多能量變成紅巨星，將水星、金星甚至地球都吞沒；太陽中心的氫燃燒完後，會在1億度高溫下點燃氦聚變，燃燒氫聚變生成的氦，逐步形成緻密的白矮星核心。經過不斷的氦閃和脈動，太陽外層的氣體被不斷驅離，最後裸露出核心的白矮星，太陽就會停止聚變反應，變得和地球差不多大。

　　比太陽更大的恆星，如果最後剩下的緻密核心超過1.4倍太陽質量，就會經歷超新星爆炸，核心在引力作用下急劇坍縮成中子星，直徑只有十多公里；而如果質量達到太陽的3.2倍以上，就會坍縮成我們今天的主角——黑洞。

　　所以黑洞是聚集在一起的物質無法對抗自身引力而坍縮形成的緻密天體，是宇宙中時間和空間破裂的地方，宇宙的物理定律在黑洞裏面已經不起作用了，你甚至可以把它理解爲一個和我們宇宙無關的地方，我們誰也不知道進了這個洞，會去到哪裏，會發生什麼。

　　超大質量黑洞是什麼？

　　上面所說的是恆星黑洞，也就是恆星坍縮後形成的黑洞。實際上還有一類黑洞叫超大質量黑洞，在每個星系的中心都至少有一個這樣的黑洞，利用其引力將整個星系凝聚成形。這類黑洞質量最小的也有幾十萬個太陽質量，最大的可能有數百億個太陽質量。

　　超大質量黑洞的形成，一種是緩慢吸積周圍物質形成的；一種是數十萬個太陽質量的星雲，逐步萎縮成相對論星體後，不經歷超新星爆炸而直接坍縮形成黑洞；還有就是核心正在坍縮的高密度星團，在大爆炸瞬間從外向內壓直接製造原生黑洞。

　　另外還有微型黑洞，或稱爲量子黑洞，以及介於恆星黑洞和超大質量黑洞之間的中介質量黑洞，迄今爲止都還只在理論上存在，科學家們從未觀察到。

　　總之，不管採取什麼辦法，只要你能夠將足夠多的物質，裝入足夠小的空間，就能夠製造出黑洞。比如歐洲核子研究中心的LHC強子對撞機，就曾被認爲會產生微型黑洞，甚至一度引起巨大恐慌。

　　黑洞像什麼？

　　黑洞的所有質量都集中在中心那個密度趨近於無限的奇點。由於黑洞引力奇大，周圍一定範圍內任何物質都無法逃脫，而只有乖乖地等待着被吸進奇點，沒有任何辦法可以再重返這個宇宙。比如你被吸進黑洞後，你和這個宇宙的唯一交集，也就只剩下你的質量帶來的引力了。

　　這個所謂的一定範圍，就是黑洞的事件視界。黑洞的引力是如此強大，以至於在這個視界表面，連光都無法逃離——進入這個視界，你就被這個世界徹底屏蔽了，你所發生的一切事件，這個宇宙都不再有任何人能看見。大概這就是事件視界這個名稱的由來，視界之外，你還是你，視界之內，誰也不知道你是什麼了。

　　由此你就可知道黑洞像什麼了。黑洞實際不是一個洞，而是完全黑色的球體——由於光線無法逃離視界，我們能看到的黑洞就是一個以視界爲半徑的純黑球體。黑洞質量越大，視界半徑也越大。由於視界半徑與黑洞質量成正比，而視界內的體積以三次方增長，所以質量越大的黑洞，其視界內的密度反而越小，一些超大質量的黑洞，其密度甚至比空氣還輕！

　　然而，宇宙空間極其廣袤，最主要的是極其空曠，到處都漆黑一團，一個純黑的球體在裏面，你就可想而知了，所以黑洞像什麼，我寫到這裏，實際還是沒有答案。一些科學家甚至認爲，太空中可能存在很多很多這種看不見的黑洞，宇宙中憑空消失的大部分物質——暗物質，可能就是由這些黑洞構成的，當然，這個假設並不是目前關於暗物質的主流理論。

　　如何才能看見黑洞？

　　可能你已經迫不及待想問了，究竟怎樣才能看見黑洞啊？

　　黑洞雖然看不見，但它擁有強大的引力，可以和周圍的物質相互作用，我們可以通過觀察宇宙中物質的異常狀態來發現黑洞。比如光線的扭曲，異常活躍的物質運動等等。換言之，我們能夠看見的是黑洞的輪廓，通常在黑洞周圍，由於強大引力的作用，會有被加熱的超級明亮的氣體圍繞其視界高速運動。

　　雖然如此，但黑洞實際還是很難被發現，因爲黑洞形成後會吸入它周圍的物質，加之它和其它天體比起來小得可憐，導致它很難被直接觀察到。就像你在熊熊燃燒的火焰裏放一個小小的玻璃球，雖然它可以影響周圍物質的運動，但你是很難注意到它的存在的。

　　所以要想看見黑洞，還需結合它對周圍天體的作用和影響進行觀測。比如，當黑洞吸入恆星材料時，會在周圍形成巨大的吸積氣盤，盤中的氣體在強大的引力作用下，獲得巨大的能量，從而劇烈地摩擦發熱，輻射出強烈的的X射線。通過檢測這些高能射線，我們就可間接獲知黑洞的存在，並進行研究。

　　即使如此，自黑洞理論誕生以來，能夠被確認爲黑洞候選者的天體也寥寥可數，更沒有任何一個黑洞被直接觀察到。

　　看見第一個黑洞有多難？

　　要看到一個黑洞是如此的困難，如此的令人絕望，相信很多人已經放棄，該幹嘛就幹嘛去了。但科學家們是永遠不會說放棄的，因爲在我們銀河系的中心，就有一個400萬倍太陽質量的超大質量黑洞，如果連我們自家星系的這個龐然大物都看不到，怎麼能說人類科學進步已到達新的高度了呢？

　　然而理想是豐滿的，現實是骨感的。雖然銀河系中心的超大質量黑洞質量達太陽的400萬倍，但其直徑僅爲4400萬公里，連水星軌道的一半都不到。也就是說，假如把這個黑洞放到太陽的位置，其視界還不到水星軌道的一半。

　　也許你會說，這麼大啊？已經不小了吧！問題是，銀河系中心離我們的距離爲26000光年，要想看到這個黑洞，根據科學家們的說法，就相當於我們要從地球上看到月球上的一個檸檬！

　　除非我們的眼睛和地球一樣大，否則一切免談！

　　即使你的眼睛真的和地球一樣大，那也是看不到的，因爲在銀河系中心黑洞和我們地球之間，橫亙着一圈巨大的塵埃環，擋住了我們的視線，否則我們在夜晚仰望星空的時候，黑洞所在的人馬座A*會明亮得多。

　　似乎一切辦法都沒有了，人類這個渺小的生命就活該被浩瀚的宇宙忽略，在渺如塵埃的地球上卑微地活着？然而我們是具有高度智慧的生命，我們正在向宇宙規律發起挑戰，沒有什麼是我們不能做到的。

　　如何拍攝第一個黑洞？

　　由於可見光的波長太短，任何光學觀察器材，不管是我們的眼睛還是天文望遠鏡，都無法突破這個巨大的星際塵埃環；就像你站在霧中，要想看清遙遠的燈光一樣，重重濃霧迷濛了你的視線。

　　然而，我們還有一種望遠鏡，那就是像中國天眼一樣的射電望遠鏡，由於射電波，即無限電波波長極長，完全可以突破這些塵埃的封鎖，“看到”銀河系中心的黑洞。就像我們在室內，依然可以收到手機基站傳來的無線電波，射電望遠鏡，也可以接受到來自銀河系中心的信息。

　　通過多年來的觀察，科學家門已經發現，銀河系中心區域活躍着大量氣體和塵埃，圍繞着黑洞高速運行，被加熱到了數十億度，發射出大量的各個波段的輻射。雖然從可見光到X射線的輻射都被星際塵埃擋住了，但無線波段是可以看見的！

　　然而單一的射電望遠鏡，即使是全球最大的中國天眼，也僅僅只有500米的口徑，和地球一樣大的眼睛比起來，就像螢火蟲和太陽相比，完全可以讓凱撒大帝都陷入無邊的絕望之中。

　　不過，雖然我們沒有地球一樣大的眼睛，但我們卻擁有超越我們星球乃至太陽系整個銀河系的非凡認知。科學家們發現，如果將分佈在世界各地的射電望遠鏡連接起來，就可藉助算法將各個獨立望遠鏡同時觀察同一個目標的數據協調起來，形成一個口徑等效於地球直徑的虛擬望遠鏡，將其分辨率提高到足以觀察黑洞事件視界尺度結構的程度。

　　這個計劃被稱爲事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT），於2012年在美國亞利桑那州啓動，先後有12個國家的30多所大學、天文臺及政府和研究機構參與，並在2017年4月，對銀河系中心人馬座A*和M87星系中心進行了爲期10天的全球連線觀測。調動的射電望遠鏡包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），南極點的南極望遠鏡，以及美國、歐洲等地共8臺望遠鏡，形成了一個直徑超過12000公里的巨大虛擬望遠鏡。

　　由於數據龐大，無法通過網絡傳輸，觀測完成後，所有數據都通過硬盤空運到美國馬薩諸塞州麻省理工學院的海斯塔克天文臺，以及德國波恩的馬克斯普朗克電波天文研究所進行處理，南極的數據甚至等到當年10月冬天過後才運送出來。