只在科幻电影里看到的黑洞 第一张照片诞生

在研究黑洞近20年后，我经常被问及什么是黑洞。老实说，我不确定。除了纸质课件中自制的效果图，我第一次“用自己的眼睛”看到黑洞图像是在2015年的电影院。屏幕上是“星际”中的黑洞“卡冈·图雅”——深不见底的黑色中心和明亮的三维气体环——这是相对论物理学家基普·索恩为电影设计的黑洞图像(见图1)，几乎和想象中的一样。从广义相对论推断出的黑洞存在于宇宙深处，这在21世纪的今天是毫无疑问的。黑洞存在于无数的观测数据中，但是我们不知道它们在现实中到底是什么样子。

电影《星际穿越》中的黑洞被一圈明亮的气体吸积盘所包围。

现在，人类终于拍下了第一张黑洞的真实照片。今年4月5日至14日，来自世界各地30多个研究所的科学家将启动一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用分布在世界不同地区的八个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。人类将首次看到黑洞的视觉界面。这个虚拟望远镜网络被称为“事件地平线望远镜(EHT)”，其有效孔径大小将达到地球直径的大小。

2015年，人类第一次听到了两个黑洞绕着轨道运行并相互融合时产生的引力波的声音。现在，科学家们正努力用自己的眼睛来观察真正的黑洞。然而，由于视觉界面望远镜要处理大量的数据，对黑洞进行“拍照”可能需要很长时间。我们要到2018年才能知道黑洞看起来是否像作家、艺术家或电影导演展示的那样。

无论我们最终得到什么样的黑洞图像——无论是像电影一样壮观还是只有几个模糊的像素——视觉界面望远镜都具有重大意义，这是黑洞观测史上的重要一步。观察结果不仅像照片一样简单，它一方面呼应了爱因斯坦的广义相对论，另一方面将帮助我们回答星系中壮观的喷流是如何产生和影响星系演化的。我们将是历史上第一个“看到”黑洞的人类。这真是好运。

首先，没有数字也没有真相。科学家如何知道黑洞在哪里？

虽然“黑洞”这个词是由美国天体物理学家约翰·惠勒在1968年才提出的，但早在1783年，英国地理学家约翰·林可唯就意识到，一个致密的天体可能非常致密，甚至光也无法逃脱。这也是今天普通人对黑洞最基本的理解:即使光也不能通过吸入任何东西而逃脱。

既然我们想看到黑洞的“美”，我们需要更多地了解这个遥远的天体。几乎所有黑洞的质量都集中在中心的“奇点”。“奇点”在它周围形成了一个强大的引力场。在一定范围内，光也无法逃脱。光线无法逃逸的临界半径被称为“视觉界面”，顾名思义，就是视线可以到达的界面。

你可能很好奇:登山运动员勇敢地爬上山顶的原因是“山就在那里”。然而，既然天文学家根本看不到黑洞，他们如何确定“黑洞存在”？

黑洞本身不发光，很难直接探测到。大大小小的望远镜都无法直接观察到远处黑洞的力量。科学家只能“通过曲线拯救国家”，并使用一些间接的方法来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。在某些时候，恒星周围会存在一个恒星大小的黑洞(从3个太阳质量到100个太阳质量)，将恒星的气体撕裂到它自己的一边，形成一个围绕黑洞旋转的气体盘，即吸积盘。当吸积气体过多时，部分气体在磁场的作用下沿旋转方向喷出，然后落入黑洞视界面形成射流。吸积盘和喷流(见图2)都因气体摩擦而产生强光和大量辐射，因此它们很容易被科学家发现，黑洞的藏身之处也暴露了出来。

恒星黑洞系统示意图

理论非常充实，而现实却非常枯燥。以我们的银河系为例，根据理论计算，银河系中应该有数千万个恒星黑洞。到目前为止，我们只确认了20多个黑洞的存在，此外还有40或50个黑洞候选者。为了最终确认天体是否是黑洞，我们需要进行更多的测量和计算。探测一个质量从几十万个太阳到几十亿甚至几十亿个太阳的超大质量黑洞的挑战甚至更大。科学家们确实做了很多努力来确认银河系中心是否存在Sgr A*。

第二，观察银河系中心黑洞的界面就像观察地球上月球上的橙子一样。

找到一个黑洞是如此困难，拍下它的照片不是更困难吗？自从17世纪早期人类发明望远镜以来，天文望远镜的口径变得越来越大。从最早的2.5厘米口径到目前最大的10米口径光学望远镜，中国贵州还有500米口径的射电望远镜。下一代更大口径的望远镜也正在规划或建造中。所有这些望远镜都体现了人类的智慧，甚至代表了人类社会的最高科技水平。然而，要观察遥远的黑洞，仅仅依靠任何一台望远镜都远远不够。

因此，在过去10年左右的时间里，麻省理工学院的科学家与其他研究机构的研究人员联手推出了一个激动人心的“视觉界面望远镜”项目。世界许多地方的八个亚毫米射电望远镜将同时观测黑洞(见图3)。八兄弟向北去西班牙，向南去南极。他们将为选定的目标撒下一张大网，并带回大量数据为我们勾勒出黑洞的轮廓。这些望远镜是:

(1)南极望远镜

(2)智利的阿塔卡马大毫米阵列

(3)智利的阿塔卡马探路者实验望远镜

(4)墨西哥的大型毫米望远镜

(5)美国亚利桑那州的亚毫米望远镜

(6)夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜(JCMT)

(7)夏威夷的亚毫米阵列

(8)西班牙毫米波射电天文学研究所的30m毫米波望远镜。

大多数都是单望远镜，比如JCMT和夏威夷的南极望远镜。还有望远镜阵列。例如，ALMA望远镜由70多个小型望远镜组成。

望远镜全球分布示意图，红点代表望远镜的位置。

这次视觉界面望远镜有两个主要观察目标，一个是银河系中心的黑洞Sgr A*，另一个是位于星系M87的黑洞。之所以选择这两个黑洞作为观察目标，是因为它们的视觉界面似乎是地球上最大的。其他黑洞更难观察，因为它们离地球更远或者质量有限。

Sgr A*黑洞的质量相当于约400万个太阳，相应的表观界面大小约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。哇，超级大！！然而...地球距离Sgr A * 25，000光年(约24亿公里)，这意味着它巨大的视觉界面在我们看来只有针尖那么小，就像我们站在地球上观看月球表面的橙色一样。

M87的*黑洞有60亿个太阳。虽然它离地球比Sgr A*离地球远，但由于它的巨大质量，它的地平线可能和Sgr A*一样大，甚至比我们大一点。

三个或八个望远镜同时看到两个黑洞，每年只有10天的窗口期。

为了清楚地看到两个黑洞之间视觉界面的细节，视觉界面望远镜的空间分辨率必须足够高。它有多高？比哈勃的分辨率高1000多倍。

科学家本可以用一个望远镜来测量黑洞周围恒星的位置，但与恒星和黑洞之间的距离(1万亿公里)相比，视觉界面的尺寸太小(至少小1/10万)，所以很难用一面镜子。此时，为了提高空间分辨率，我们需要使用“干涉”技术，即使用位于不同地点的多个望远镜同时进行联合观测，最后将相关分析后的数据进行组合。这项技术在无线电波段相当成熟。在这种情况下，望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离，而不是单个望远镜的孔径大小。因此，可视界面望远镜的分辨率相当于直径与地球相当的射电望远镜的分辨率。

在用这种可视界面望远镜进行观测之前，天文学家已经用一些毫米望远镜对Sgr A*和M87星系的中心黑洞进行了联合观测，并获得了一些令人兴奋的结果:尽管不能清楚地看到黑洞的可视界面，但已经探测到了黑洞中心区域的辐射。为了提高空间分辨率，更清楚地看到更小的区域，科学家们在望远镜阵列中增加了智利和南极的望远镜，用于此次观测。为了确保所有8台望远镜都能看到两个黑洞，从而达到最高的灵敏度和空间分辨率，科学家的观察窗口非常短，每年只有10天左右(2017年，是在4月5日至4月14日之间)。

在所有参与观测的望远镜中，位于智利的价值140亿美元的阿尔玛毫米望远镜(见图4)是最重要的，因为它的灵敏度是单个阵列中最高的，但它的观测时间也是最宝贵的。

由于ALMA望远镜的完整时间表上有一系列拥挤的观测计划，对黑洞可视界面的观测目前只计划了5天，其中银河系中心的Sgr A*将在两个晚上内被观测到，M87黑洞将在其余时间内被观测到。

智利的阿塔卡马大型毫米波阵列望远镜

4.除了黑洞的几何形状，这一观察还将回答我们许多问题。

拍一张黑洞的照片并不容易，而且“冲洗照片”需要很长时间。射电望远镜不能直接“看到”黑洞，但它们会收集大量关于黑洞的数据信息，并利用这些数据向科学家描述黑洞的外观。

对于以前的干涉仪来说，因为不同望远镜之间的距离不是太远，所以不同位置的观测数据通常可以被实时比较和组合以获得图像，并且科学家很可能在屏幕上实时看到图像。然而，对于横跨南北半球的可视界面望远镜的观测来说，所产生的数据量将非常大，因为所涉及的站点区域非常广。视觉界面望远镜每晚产生的数据量可达2pb(1pb = 1000 TB = 1000000 GB)，与欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量大致相当。考虑到某些地区(如南极)的数据传输速度相对较慢，科学家在观测期间不会对来自不同站点的数据进行实时相关分析，因此在屏幕上看到黑洞的实时图像就更不可能了。在每个观测中心，科学家将使用预先校准的原子钟时间来分别校准和保存每个电磁波的到达时间，然后在观测完成后进行收集和比较。

观测结束后，每个站收集的数据将被收集到两个数据中心(位于马萨诸塞州的干草堆天文台和位于德国波恩的马克斯·普朗克无线电研究所)。在那里，大型计算机集群将合并和分析数据时间，以产生黑洞的图像。这种分析只需六个月，长达一年。即使在最乐观的情况下，我们也要到2018年初才能“看到”黑洞。

一切皆有可能，只需要东风。在设备准备好之后，还有一个非常重要的因素，那就是天气和观测时间。因为大气中的水对这个观测带有很大的影响，所有8个望远镜位置(从夏威夷到智利，从墨西哥到南极)的天气条件都非常好，可以看到界面望远镜的顺利观测。目前，这些望远镜通常位于较高的高度，降雨量也很少，所以所有晴天的概率都很高。

当所有的数据被合并，图像最终被获得时，包括我在内的天文学家希望看到这样的图像:一个被非常明亮的光子环包围的黑洞，非常靠近黑洞的视觉界面；由于黑洞旋转的多普勒效应，光子环的一边更亮，另一边更暗(见图5)。

由于黑洞的旋转效应，视觉界面望远镜可以获得的计算机模拟黑洞图像在黑洞的左侧更亮。

视觉界面望远镜的观测对科学研究具有重要意义。天文学家希望通过这个观测结果对爱因斯坦的广义相对论做出最严格的限制。同时，黑洞图像将帮助我们回答星系中壮观的喷流是如何产生和影响星系演化的。

当然，这是科学家心目中的理想图景，而实际的黑洞图像可能更糟。然而，不管最终的图像是什么，即使只能看到几个像素，视觉界面望远镜的观测将是人类黑洞观测史上的重要一步。我们是多么幸运，成为宇宙中第一个用自己的眼睛看到黑洞的碳基生物。