來源：DeepTech 深科技

　　今天注定是天文學(xué)和物理學(xué)界的一個重要日子。有 6 場國際新聞發(fā)布會安排在了這一天，在這些發(fā)布會上，我們見證了人類有史以來所拍得的第一張黑洞照片的公布。

　　美國東部時間 4 月 10 日上午 9 時（北京時間 10 日 21 時），事件視界望遠(yuǎn)鏡組織（Event Horizon Telescope Collaboration， 以下簡稱 EHT）在美國華盛頓，比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京等世界六地同步發(fā)布這張人類期待已久的照片。

　　發(fā)布的圖片顯示了黑洞轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。

　　該黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系 Messier 87 中心的黑洞。該黑洞距離地球 5500 萬光年，質(zhì)量為太陽的 65 億倍。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”，這個陰影告訴我們：愛因斯坦是正確的！

　　該圖像的許多特征與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言完全相一致，在強(qiáng)引力極端環(huán)境下進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對論。中國科學(xué)院上海天文臺研究員袁峰在現(xiàn)場表示，現(xiàn)在看到的照片大體來說有兩個部分，一部分是中心區(qū)域不太發(fā)光的陰影，另一部分是圍繞這個陰影的發(fā)亮的圓環(huán)。圓環(huán)發(fā)的光就是從吸積盤上發(fā)出的，而黑色的陰影要比黑洞本身要大幾倍，這證實(shí)了愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言。

　　第一次真正地凝視深淵

　　“黑洞是廣義相對論預(yù)言了很多年的存在。目前，我們在理論上一直猜想黑洞是實(shí)際存在的，而且也在觀測中取得了一些進(jìn)展。但現(xiàn)在我們能夠真正看到它的存在，這件事情非常值得期待的”。在發(fā)布會召開之前，DeepTech 聯(lián)系了中國科學(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷，他在解讀此次發(fā)布會意義時如此說道。

　　1915 年，廣義相對論作為愛因斯坦提出的革命性理論之一問世。在這個理論中，愛因斯坦提出，物質(zhì)會扭曲或彎曲時空的幾何結(jié)構(gòu)，人類以重力的形式感受到這種時空扭曲，而黑洞正是愛因斯坦理論的首批預(yù)測之一。

　　之后的百余年來，無數(shù)的影視作品、科幻小說將黑洞作為宇宙神秘、迷人、兇險的重要意象之一，把它帶到普通大眾的認(rèn)識中，包括諾獎得主基普·索恩和已故物理學(xué)家霍金在內(nèi)，他們都曾專門著書闡述黑洞的奇幻場景。

圖丨一部法國電視紀(jì)錄片視頻中的黑洞影像，包括了多普勒失真和不對稱效果（來源：JA MARCK / J。-P。LUMINET）

　　但它始終都像是一個遙遠(yuǎn)外太空的“都市傳說”，人類迎來了一批又一批黑洞存在的間接證據(jù)：附近恒星軌道的引力擺動、星際氣體云的變化、氣態(tài)射流噴出等等。一些超大質(zhì)量黑洞隱藏在宇宙中各大星系的核心區(qū)域，但即使是愛因斯坦本人也不確定它們是否真的存在。

　　荷蘭拉德堡德大學(xué)的射電天文學(xué)家 Heino Falcke 曾如此評價黑洞：“它們是空間和時間的終點(diǎn)，可能也代表著人類知識的最終極限。”

　　而第一幅真正的黑洞影像，將掀開籠罩黑洞的第一層“面紗”，使其從原本神秘的東西轉(zhuǎn)變成人類可以學(xué)習(xí)的實(shí)體，其中最值得期待的部分可能是這張圖片對于廣義相對論的驗(yàn)證。發(fā)布會之前，人們就期待這張事件視界的圖片能夠用以檢驗(yàn)黑洞物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，比如測量事件視界的形狀和大小，能幫助驗(yàn)證很多天文和物理上與黑洞有關(guān)的理論。此外，天體物理學(xué)家還希望 EHT 的數(shù)據(jù)能夠幫助他們解釋黑洞兩邊以接近光的速度噴出巨大的物質(zhì)流（噴流）。

圖丨電影《星際穿越》的黑洞 Gargantua，由倫敦的視覺特效公司 Double Negative 制作（來源：London。AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO）

　　我們都知道，黑洞是宇宙中一種質(zhì)量異常大的特殊天體，質(zhì)量可達(dá)太陽的幾百億倍。它是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力坍縮而形成。它巨大的質(zhì)量，產(chǎn)生了巨大的引力，以至于任何接近黑洞的物體都無法逃脫它的引力。就連傳播速度最快的光也無法逃逸出來。

　　黑洞會吸收所有的電磁輻射，這意味著無論是我們用來接收來自天體的無線電波的射電望遠(yuǎn)鏡，還是探測地球大氣層以外的源所發(fā)射的 X 射線、并將其分辨為一個圖像的 X 射線望遠(yuǎn)鏡，用于收集可見光的，便于目視觀測、拍攝的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，甚至用運(yùn)行于地球低軌道的、進(jìn)行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現(xiàn)象的費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡，都無法真正探究黑洞的模樣。

圖丨 Nature 此前發(fā)布的預(yù)計第一張黑洞圖片（來源：Nature）

　　在黑洞的周圍，是一個無法偵測的事件視界 （event horizon）。它是光得以逃離黑洞的最近距離，所以事件視界之內(nèi)是無法被偵測到的，有如漆黑一片，故名黑洞。事件視界的存在，使黑洞無法被直接觀測。不過，黑洞周圍卻有著一圈可被觀測的物質(zhì)。這些物質(zhì)圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)，形成了一個圓盤，天文學(xué)家稱它為吸積盤（accretion disk）。

（來源：Sunshine Lighthouse）

　　吸積盤是黑洞的光環(huán)，這個明亮的環(huán)中間漆黑一片，聽起來并不像土星光環(huán)那樣和諧美麗。而且如果我們?nèi)ビ^察吸積盤，會發(fā)現(xiàn)它被扭曲了。這是因?yàn)楹诙磳饩€有很強(qiáng)的彎折能力，位于黑洞背面的吸積盤發(fā)出的光，也會繞到前面來被我們看到。

　　雖然我們無法看到黑洞內(nèi)部，但如果黑洞的后面有明亮的背景，我們卻可以看到黑洞吸收形成的影子，看上去正是“黑洞洞”的。黑洞附近超高溫氣體可以發(fā)出波長約為毫米級的無線電波，可以穿透星系中的氣體并抵達(dá)地球。

　　陳學(xué)雷則對 DeepTech 表示，這張圖片可以幫助了解黑洞周圍以及黑洞本身的信息，比如它的質(zhì)量、自旋和它對周圍的影響等。而在驗(yàn)證廣義相對論上，“如果預(yù)測不完全一致的話，我們可以期待是不是有更深層的理論能夠解釋其中一些不一致的現(xiàn)象。在廣義相對論提出之后，科學(xué)家們也產(chǎn)生了很多修改的理論，和此前的一些理論相比更復(fù)雜一些，通過這次觀測，我們可以觀察實(shí)際的情況會不會有所不同”。另外，他還提到，除了驗(yàn)證廣義相對論以外，其他的物理理論，如經(jīng)典相對論，也可以得到檢驗(yàn)。如果再考慮到量子力學(xué)，我們還需要用原子級別的照片去檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停?dāng)然，這就需要非常高精度的照片才能實(shí)現(xiàn)。

圖丨根據(jù)廣義相對論，太陽會彎曲時空使行星繞著它運(yùn)行，中子星會使時空彎曲更厲害，而一個黑洞則會在時空中制造一個深坑，即使是光都無法逃脫（來源：JAMES PROVOST）

　　除了照片上的信息外，團(tuán)隊收集到的原始數(shù)據(jù)可能還有其他的研究價值。“就像是淘金，發(fā)布的照片就像是最后從沙子里淘出來的金子。當(dāng)然，這些原始數(shù)據(jù)可能還有一些其他的價值，可能后續(xù)有人能繼續(xù)從中淘出新的金子來”，陳學(xué)雷說。

　　簡而言之，在這浩瀚的時間長河中，每一次新的宇宙發(fā)現(xiàn)，都讓人類感受到自己的渺小。而黑洞中是絕對的死亡還是永生，在今后的漫漫長路中揭曉。隨著這張照片的誕生，人類又擁有了更多的機(jī)會檢驗(yàn)?zāi)切┰?jīng)被認(rèn)為“不可檢驗(yàn)的”的理論，繼續(xù)凝視宇宙和生命的深淵。

　　Mission Impossible：我們需要一個與地球等大的望遠(yuǎn)鏡

　　和此前 LIGO 探測引力波類似，這張可能是今年最重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)的照片誕生背后，也有一個龐大且出色的全球化科研團(tuán)隊以及強(qiáng)大的大科學(xué)裝置，并耗費(fèi)了 2 年的時間才最終問世。

　　2016 年，天文學(xué)家們發(fā)起了一項(xiàng)名為“視界望遠(yuǎn)鏡（EHT， Event Horizon Telescope）”的國際觀測項(xiàng)目。EHT 動用了位于世界各地的 8 個獨(dú)立射電望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡組成了前所未有的大型望遠(yuǎn)鏡陣列，包括亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SMT）；IRAM 30 米望遠(yuǎn)鏡；APEX 望遠(yuǎn)鏡；James Clerk Maxwell 望遠(yuǎn)鏡（JCMT）；大毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）；次毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Array，SMA）；阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array， ALMA）；以及南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）。

圖丨事件視界望遠(yuǎn)鏡是由全球八大望遠(yuǎn)鏡組成（來源：APEX， IRAM， G。 Narayanan， J。 McMahon， JCMT/JAC， S。 Hostler， D。 Harvey， ESO/C。 Malin）

　　在 VLBI 技術(shù)（甚長基線干涉測量）的幫助下，8 個望遠(yuǎn)鏡模擬出了一個地球大小的巨型望遠(yuǎn)鏡，達(dá)到了它的最佳分辨率：20 個微角秒，用來觀測黑洞還剛剛夠，但是得到的圖像十分模糊。

　　EHT 于 2017 年 4 月首次全面運(yùn)行，并且在那一次的運(yùn)行中就取得了全部的黑洞數(shù)據(jù)。期間，8 臺射電望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了一個位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*），以及一個 M87 星系中心的黑洞。其中，人馬座 A*位于銀河系的中心，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的四百萬倍；另一個更大的黑洞是處女座星系的 M87 黑洞（Messier 87），質(zhì)量是太陽質(zhì)量的 70 億倍。

　　盡管它們都十分巨大，在 EHT 的照片上卻很小。據(jù)一位在 EHT 工作的天文學(xué)家說，人馬座 A*黑洞的大小大約是 50 個微角秒（角度單位）的寬度。一個微角秒大概是從月球上看地球上一篇文章末尾的句號的大小。

　　最終，EHT 對兩個黑洞總共觀測了約 5 個夜晚，產(chǎn)生了 4PB 的數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)換成 MP3 格式需播放 8000 年才能聽完）。采集的數(shù)據(jù)量如此之大，這也是為什么時隔兩年后大眾才有機(jī)會一睹黑洞的全貌的原因。

　　在照片問世的過程中，不同的望遠(yuǎn)鏡要對各自采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間和相位的重新矯正，以實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的同步。這本身就是一項(xiàng)繁瑣的工作，而數(shù)據(jù)的后期處理更加耗費(fèi)精力。如此巨量的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠傳輸，研究人員轉(zhuǎn)而將數(shù)據(jù)拷貝到硬盤上，通過快遞硬盤實(shí)體來交換數(shù)據(jù)，這竟然成為了比網(wǎng)絡(luò)傳輸更快的方式。

（來源：J。 A。 MARCK/J。-P。 LUMINET）

　　因此，團(tuán)隊在過去兩年里不斷地分析、校準(zhǔn)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。在巴黎天文臺工作、專注于黑洞可視化研究的法國天文學(xué)家 Jean-Pierre Luminet 在 Science 的采訪中也表示，黑洞“可視化”的難點(diǎn)在于要將一個本身在定義上就不可見的物體“實(shí)體化”。他在此前曾多年從事包括為影視作品用計算機(jī)模擬黑洞的專業(yè)黑洞可視化工作。

　　運(yùn)輸不便，加上巨量的分析任務(wù)，讓這個宇宙中的鬼魅時隔兩年才與世人相見。

　　但在研究過程中，研究團(tuán)隊的成員們對此充滿信心。在一次 TED 演講中，EHT 研究人員、來自麻省理工學(xué)院的凱蒂·伯曼曾如此介紹她的感受——“在項(xiàng)目開始時我沒有任何天文學(xué)背景知識，但團(tuán)隊通過這一獨(dú)特合作所達(dá)成的成就，可讓世界上第一幅黑洞照片誕生”。

圖丨凱蒂·伯曼（來源：TED）

　　據(jù)她介紹，團(tuán)隊要觀察的黑洞離地球太過遙遠(yuǎn)。“從地球上看，它非常、非常小——大概就和月球上的一個橘子一樣大。這導(dǎo)致給它拍照變得無比艱難……我們可以輕易得出所需的望遠(yuǎn)鏡的大小：就和整個地球一樣大”。

　　但是，建造一個地球大小的射電望遠(yuǎn)鏡是不可能的。她選擇相信米克·賈格爾的一句名言——“你不可能永遠(yuǎn)得到你想要的東西，不過有時候你試一下，說不定正好找到你需要的東西。”

　　正如我們所見，后來，EHT 選擇將遍布全世界的望遠(yuǎn)鏡連接起來，團(tuán)隊中的計算機(jī)學(xué)家們則開發(fā)出特別的圖片算法，基于望遠(yuǎn)鏡提供的散亂而充滿干擾的數(shù)據(jù)，生成最終的圖片。

　　凱蒂·伯曼認(rèn)為，像 EHT 這樣的項(xiàng)目能夠成功，正是不同學(xué)科的研究人員用各自的專業(yè)知識一起創(chuàng)造的結(jié)果。

　　“我們是一個由天文學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家構(gòu)成的大熔爐。這就是我們能夠很快達(dá)成一個看起來不可能達(dá)成的成就的原因……在此，我想鼓勵你們所有人，走出去，推動科學(xué)的邊際，盡管剛開始它可能看起來和一個黑洞一樣神秘”，她說。

圖丨 1610 年 1 月 7 日，伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞著木星的四顆衛(wèi)星。大約 400 年過去，我們觀察宇宙的“眼睛”和“視野”正在走向極限。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的第一张黑洞照片正式公布！再次证明爱因斯坦是正确的的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。