首张黑洞照片，这些知识你可以了解

    4月10日，事件视界望远镜（EHT）国际合作组织在全球六地同步召开新闻发布会，宣布他们已经捕获了首张黑洞照片。

    什么是“事件视界”

    在理论上，它是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。黑洞是大质量恒星死亡后的一种形态，恒星还会死亡？是的！当恒星内部的燃料消耗完了，它就死了。这个时候，如果这个恒星质量足够大的话，黑洞就要产生了！根据质量，天文学家将宇宙中的黑洞分为恒星级质量黑洞（几十倍至上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）三类。

    此次观测的视界望远镜（EHT）项目是全球各地超过200名科学家在过去20多年协力工作的结果。之所以叫这个名字，是取自黑洞本身的性质，也就是科学家们对于黑洞边界的定义：当物质抵达黑洞足够近，强大的引力将让一切都无法逃脱。这个距离所限定的边界就称作黑洞的“事件视界”，简称“视界”，一旦超越这个边界，你将无可避免的被黑洞所吞噬。望远镜就是以这个名字命名的，它的目标正是要首次直接拍摄这个边界的图像。

    黑洞只可远观

    尽管人们对黑洞的热情高涨，但其只可远观而不可接近，否则后果很严重。简单来说，如果你和黑洞靠得太近，你就会像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字：“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应，是因为人体各处受到的引力大小不同。

    如果你两脚朝下飞向黑洞，由于你的脚离黑洞更近，它受到的引力将比头部受到的引力要大。更糟糕的是，由于胳膊并非位于身体中心，它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同，你身体的边缘部位会被拉进身体里。最后的结果是，你的身体不仅被拉长了，而且还变细了。因此，还没等你（或其他物体）抵达黑洞中心，你就早早地变成了一根“意大利面条”。

    跟地球一样大的望远镜

    为了能“看见”黑洞，全球200多名科学家组成了EHT合作组。2017年4月，他们挑选了世界上多个海拔最高、位置最为偏僻的射电天文台，包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点共计6个地区8个台站，打算以一种爱因斯坦从未想过的办法观测黑洞。

    黑洞的观测要求非常高，而地球受到大气层的保护，很多电磁波无法穿透大气，只有在海拔三四千米的山上，才有可能观测到这些信号。地址选定后，科研人员使用了甚长基线干涉测量技术使世界各地的射电望远镜实现组网，并进行同步观测，同时利用地球自转组成了一个口径如地球大小、观测波段为1.3毫米的虚拟望远镜，其精度足以让一个人在巴黎的咖啡馆阅读纽约的一张报纸。

    这些望远镜并没有实际连接起来。所有的数据汇总起来之后，科学家利用新型的计算工具，最终生成了黑洞的图像。

    海量数据处理

    视界望远镜项目团队利用这台虚拟超级望远镜进行了两次连续观测，每次持续大约两周。第一次观测是在2017年4月份，第二次则是在2018年。本次公布的图像结果来自2017年的第一次观测。

    很多人会想知道，为何2017年的观测要到今天才发布结果。原因是很好理解的。首先，视界望远镜每晚上的观测就会产生大约1PB（1PB=1024TB）的数据，要想将如此多的原始数据加工处理成最终图像，要经历漫长过程。要想通过互联网传输如此巨量的数据显然做不到。因此研究人员不得不将数据存在硬盘里，然后叫国际快递在各个机构之间来回运输。比如南极望远镜获得的数据直到2017年12月才被运出南极洲，因为只有那时候南极大陆才足够温暖，可以让飞机进出运输货物。

    照片为何模糊

    和光学照片的清晰度问题一样，根源在于分辨率。

    根据天文学家所了解的知识，要想提高望远镜的分辨率，我们可以做两方面的努力：一是降低观测频段光子的波长，二是增加望远镜的有效口径。此处的有效口径，其实取决于望远镜网络当中相距最远的两个望远镜之间的距离。

    既然我们可以将两个望远镜放置得很远从而实现更高的分辨率，那么我们能否只用两个望远镜来完成黑洞照片呢？很遗憾，不行。观测要求的不仅仅是分辨率，还有灵敏度——高分辨率可以让我们看到更多的细节，而高灵敏度则能够让我们看到更暗的天体。

    在视界望远镜的阵列中，位于南极的SPT望远镜在增加基线长度或者说在提高望远镜的分辨率方面起到了非常大的作用，而位于智利的ALMA望远镜阵列对于提高灵敏度非常重要——望远镜真实的有效面积越大，灵敏度也就越高。

    中国科学家发挥了什么作用

    中国大陆的望远镜并没有直接参与到视界望远镜的观测当中，最直接的一个原因在于，中国大陆两个建好的亚毫米波望远镜（一个是位于青海德令哈的13.7米望远镜，另一个是位于西藏的CCOSMA望远镜）不具备VLBI联网功能。但即使它们可以实现联网，同步观测也无法实现，因为我们的两个望远镜正好位于灵敏度非常高的ALMA阵列的背面位置。

    位于我国贵州的FAST天眼望远镜也没有机会参与到视界望远镜的观测行列。首先其工作波段不同，另外，亚毫米波光子很容易被大气中的水蒸气所吸收，所以视界望远镜都位于海拔比较高而且干燥的地方，比如ALMA望远镜就位于海拔5000多米的acatama沙漠当中。

    但是，位于夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT）是EHT联合观测网络节点之一，由中国科研机构参与，为视界望远镜提供了必不可少的观测保障。此外，部分中国科学家也参与了后期的数据分析和讨论，为世界上第一张黑洞照片做出了贡献。

    有什么意义

    视界望远镜项目的主要目标，其一是首次拍摄黑洞事件视界图像，其二是帮助验证爱因斯坦广义相对论的准确性。

    而对普通人来说，直接看到黑洞图像本身就将完全改变我们思考我们自身，以及我们在宇宙中地位的方式。正如1968年阿波罗8号拍摄的那张著名的照片“地球升起”。那张照片让我们从遥远的月球轨道上回眸地球，我们所居住的星球。人们突然之间意识到地球的脆弱和珍贵。那张照片很快受到巨大关注，登上了世界各地媒体的头条，甚至帮助触发了上世纪中叶在西方兴起的环境保护主义运动。

    （综合自《科技日报》《中国科学报》、科普中国微信公众号等 4.12）