关于“摄猎”黑洞的八大天问

黑洞艺术的想象。

(照片由中国科学院上海天文台提供)

视界望远镜由四大洲的几个射电望远镜组成。图中的黄线是连接这些望远镜的“基线”,因此形成了一个与地球大小相同的望远镜。

(来自事件地平线望远镜项目组)

作者是“黑洞访客”团队的成员，其中郭立军是中国科学院国家天文台的研究员，也是国家天文台恒星黑洞爆发创新研究团队的负责人。

北京时间4月10日，人类的第一张黑洞照片在世界六个地方的视界望远镜会议上同时发布。经过长时间的等待，由于世界各地200多名科学家的努力，第一张黑洞照片已经发布。

在计算机上模拟了很长时间的黑洞图像第一次真正出现在我们眼前。在这张来自地平线望远镜的照片中，M87*黑洞就像电影《指环王》中索伦的魔眼。在温暖而神秘的红色光晕中间，是一个深不见底的黑洞。

由于吸积盘的运动效应，圆的一边更亮，另一边更暗——由于多普勒效应，向我们视线移动的区域变得更亮，而远离我们视线的区域变得更暗。中间的黑色区域是黑洞本身——光线无法逃逸的地方。

1968年，美国天体物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”的概念，100多年前德国物理学家卡尔·史瓦西对黑洞作出了精确的解答。今天我们得到了第一张黑洞的照片，人类朝着理解黑洞和宇宙又迈出了关键的一步。

2017年4月，当世界各地的几个射电望远镜阵列组成虚拟望远镜网络事件地平线望远镜(EHT)并拍摄第一张黑洞照片时，我们写道:“人类第一次看到黑洞的视觉界面，不管我们最终得到的是什么黑洞图像——像电影一样壮观，或者只有几个模糊的像素——事件地平线望远镜意义重大，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。一方面，它呼应了爱因斯坦的广义相对论；另一方面，它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。我们将成为历史上第一个‘看到’黑洞的人类，这真是好运。”

两年后，这张珍贵的照片终于出现在我们眼前。同时，它让我们思考以下问题。

(1)这张值得世界六大同时动员发布的照片，到底如何拿出来？

在过去10年左右的时间里，美国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“事件地平线望远镜”项目，在这个项目中，世界许多地方的一系列亚毫米射电望远镜同时观测黑洞。

事件地平线望远镜是由位于四大洲的几个射电望远镜组成的，一个和地球差不多大的望远镜已经建成。它们向北延伸至西班牙，向南延伸至南极，向选定的目标撒下一张大网，并检索大量数据来勾画黑洞的轮廓。

事实上，亚毫米波段与我们非常熟悉的可见光非常不同。我们不能直接看到这个波段。使用亚毫米波段拍摄黑洞照片实际上是为了获得黑洞周围辐射的空间分布。

对于我们日常接触的光学照片，它反映了不同颜色或频率的光子在光带中不同空间位置的分布。理解了这一点，我们就能很容易地理解亚毫米波段“黑洞照相馆”的原理。

尽管亚毫米波波段观测是在单一频率下进行的，但由于黑洞周围不同区域光子产生的辐射强度不同，我们可以获得光子强度分布图，然后我们可以获得“伪彩色图”，假设不同强度对应不同颜色——图中的颜色可能是科学家根据个人喜好自行设定的颜色。

(2)电影《星际穿越》中的“卡冈图亚”黑洞有一个无底的黑色中心和一个三维的透明气体环。为什么M87在这张发布的照片中模糊不清？

像光学照片一样，清晰度根植于分辨率。为了提高望远镜的分辨率，可以从两个方面努力:一是降低观测频带中光子的波长(相当于增强能量)；另一个是增加望远镜的有效孔径。通过世界各地望远镜的联网，我们获得了一台孔径非常大的望远镜，并在相对成熟的无线电波段中选择了能量最高的毫米和亚毫米波段。

值得注意的是，有效孔径取决于望远镜网络中相距最远的两个望远镜之间的距离。2017年，增加了一系列亚毫米波望远镜用于观测，2018年，在北极圈内的格陵兰增加了一个亚毫米波望远镜。基线长度增加，分辨率提高。

虽然我们目前的亚毫米望远镜的基线已经达到10，000公里，但空间分辨率刚刚达到黑洞视觉界面的大小，所以它只相当于科学家观察到的有限区域中的几个像素。在《星际穿越》中，天文学家基普·索恩设想的黑洞图像——包括吸积盘的许多具体细节——是通过技术手段呈现的。然而，在现实中，我们只能在照片中的吸积盘上看到一些亮点。

既然我们可以把两个望远镜放在很远的地方来获得更高的分辨率，我们能只用两个望远镜来完成黑洞照片吗？不幸的是，没有。观察不仅需要分辨率，还需要灵敏度——高分辨率让我们看到更多细节，而高灵敏度让我们看到更暗的天体。

(3)FOV望远镜于2017年开始拍摄，直到最近才公布结果。为什么这张“简单”和“模糊”的照片“显影”了两年？

首先，望远镜观测到的数据量非常大。2017年，该望远镜的数据量达到10 PB (10，240 TB)，2018年，增加了格陵兰望远镜，数据量继续增加。大量的数据使得处理更加困难。

其次，在数据处理过程中，科学家们也遇到了许多技术问题——黑洞附近的气体处于极端环境中，其运动具有很大的不确定性——为了解决这些问题，科学家们还开发了特定的程序和工具。

第三，为了确保结果的准确性，严谨的科学家在两个不同的地方对最终数据进行了处理和验证。全球已经建立了两个数据中心，一个是美国的麻省理工学院，另一个是德国的马克斯·普朗克无线电研究所。两者相互独立地处理数据，并相互验证和校对，从而确保最终结果的准确性和可靠性。

(4)对黑洞的研究由来已久。引力波让我们“听到”了四年前黑洞合并的声音。为什么直到今天我们还“看到”黑洞的照片？

简而言之，这是因为黑洞的面积太小——而望远镜的角度分辨率或放大倍数以前是不够的。在过去的几年里，我们已经真正意识到能够看到黑洞附近的区域。

事实上，早在2017年全球联网观测之前，世界各地的许多科学家已经努力工作了十多年，并且已经进行了联网尝试，利用几个望远镜阵列来探测银河系中黑洞附近的区域。结果确实在亚毫米波段检测到一些辐射，这给了团队很大的信心。

在此之前，虽然科学家已经掌握了大量的电磁观测数据来证明黑洞的存在，但证据是间接的——一些科学家会提出一些奇怪的理论来代替黑洞，因为我们没有直接观察到黑洞的出现。

2016年发现的两个黑洞合并产生的引力波让人们更加相信黑洞的存在。然而，引力波类似于声波的“听”法，而电磁法是一种“看”法。对于那些更倾向于“眼见为实”和“有图片和事实”的人来说，用直观的电磁方法探测黑洞仍然是非常可取的。因此，在2016年初直接探测到引力波后，可视界面望远镜并没有放弃观测，而是以全球联网的方式将探测技术推向了极致。

(5)除了满足人们对“眼见为实”的愿望之外，黑洞照片对于验证相对论和揭示星系演化有什么意义？

直接成像不仅帮助我们直接确认黑洞的存在，而且通过模拟观测数据验证爱因斯坦的广义相对论。在地平线望远镜的工作过程和数据分析中，科学家们发现观测到的黑洞阴影几乎与相对论预言的一样，这让我们再次感叹爱因斯坦的伟大。

另一个重要的意义是，科学家可以通过黑洞阴影的大小来限制黑洞的质量。这一次，对M87中心的黑洞质量进行了独立测量。在此之前，精确测量黑洞质量的方法非常复杂。

由于观测分辨率和灵敏度等因素，目前对黑洞的详细分析还不完善。随着未来更多望远镜的增加，我们期望在黑洞周围看到越来越多的细节，从而更深入地了解黑洞周围的气体运动，区分喷流的产生和聚集机制，提高我们对星系演化的认识和理解。

⑥本次拍摄中使用的“黑洞照相馆”能拍摄所有黑洞的照片吗？

科学家过去通过探测黑洞周围吸积盘或黑洞喷流的辐射来间接探测黑洞。理论上，任何能产生辐射的黑洞都适合拍照，但是由于技术的限制，我们只能选择拍那些看起来非常大的黑洞的照片，这样我们就能看到黑洞周围的一些细节。

FOV望远镜在这次观测中实际上选择了两个目标:一个是银河系中心的超大质量黑洞，质量是太阳的450万倍，距离地球26000光年；另一个是M87星系中心的黑洞，质量是太阳的65亿倍，距离地球5300万光年。

黑洞的半径通常用史瓦西半径来描述，史瓦西半径与黑洞的质量成正比。如果我们将事件视界的大小定义为黑洞直径与黑洞距离之比，我们可以知道银河系中心黑洞的事件视界的大小大约是M87中心黑洞事件视界大小的1.4倍。这是我们知道的两个最大的黑洞，虽然那些只有几十个太阳质量的恒星黑洞相对较近，但由于它们质量小和其他因素，它们更难被望远镜捕捉到。

⑦既然银河系中心的超大质量黑洞如此之大、如此之近，为什么这次只发布了更远的M87照片，而没有银河系中心黑洞的照片？

M87*黑洞附近的气体活动相对强烈。我们以前已经观察到M87中心黑洞产生的强喷流。相比之下，银河黑洞的活动并不那么强烈。

另一个非常重要的原因是太阳系位于银河系盘上。当我们试图用地平线望远镜探测黑洞周围的辐射或光子时，这些光子会受到传播路径中星际气体的影响——气体会散射这些光子，模糊了观测结果。

M87是一个椭圆星系，含有很少的气体，相对来说较少受到气体的干扰。科学家可以更顺利地观察它。当我们观察大气中的天体时，也会出现类似的情况，因为由于大气扰动，望远镜的分辨率有时很难达到理想状态。消除星际气体散射的影响是科学家接下来需要克服的一个重要问题。

中国科学家在“黑洞照相馆”中扮演了什么角色？

*的望远镜没有直接参与可视界面望远镜的观测。最直接的原因是*已经建成的两台亚毫米波望远镜(一台是青海德令哈的13.7米望远镜，另一台是*的CCOSMA望远镜)不具备相关技术的联网功能。然而，即使它们可以联网，同步观测也无法实现，因为它们位于高度敏感的ALMA阵列的后面。

著名的中国快眼望远镜没有机会参与视觉界面望远镜的观测。首先，它的工作波段不合适。其次，它的环境湿度相对较高，不适合。亚毫米波光子很容易被大气中的水蒸气吸收。视觉望远镜位于相对高的海拔和干燥的地方。例如，ALMA望远镜位于海拔5000米以上的沙漠中。

夏威夷麦克斯韦望远镜是EHT联合观测网的节点之一，有中国科研机构的参与，为地平望远镜提供了必要的观测保障。

一些中国科学家也参与了后来的数据分析和讨论，促成了世界上第一张黑洞照片。

阅读更多

第一张黑洞图像没有回答三个大问题。

工作频带是不同的。这个黑洞不是我的菜。

探索黑洞:“事件视界”和“事件视界望远镜”

天文学家捕捉到第一张黑洞照片