黑洞照片八問(wèn)

問(wèn)題1：這張照片如何拍出來(lái)的？

在過(guò)去10多年，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了其它研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開(kāi)展了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，全球8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡所組成，它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)（兩年前視界面望遠(yuǎn)鏡選定了兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中心的黑洞）撒出一張大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。

事實(shí)上，亞毫米波段和我們非常熟悉的可見(jiàn)光有著天壤之別。這個(gè)波段我們無(wú)法直接看到的，所以，利用亞毫米波段給黑洞拍照，其實(shí)就是得到黑洞周?chē)椛涞目臻g分布圖。

對(duì)于我們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片來(lái)說(shuō)，它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點(diǎn)以后，我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。

盡管是在單個(gè)頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測(cè)，但因?yàn)楹诙粗車(chē)煌瑓^(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同，于是我們可以得到一個(gè)光子強(qiáng)度分布圖，然后假定不同的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的顏色——這也可以解釋M87的照片為什么是魔眼色，而不是電影《星際穿越》中黑洞“卡岡圖雅”的亮黃色。

問(wèn)題2：電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞有著深不見(jiàn)底的黑色中心與立體清晰的氣體圓環(huán)，此次發(fā)布的照片里的M87為何模糊許多？

電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞和光學(xué)照片的清晰度問(wèn)題一樣，根源在于分辨率。

根據(jù)天文學(xué)家所了解的知識(shí)，要想提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，可以做兩方面的努力：一是降低觀測(cè)頻段光子的波長(zhǎng)（等價(jià)于增強(qiáng)能量），二是增加望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。這一次，通過(guò)VLBI技術(shù)對(duì)全球8個(gè)不同地方的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，得到了一個(gè)口徑達(dá)1萬(wàn)公里的望遠(yuǎn)鏡，在VLBI技術(shù)相對(duì)成熟的射電波段之內(nèi)，科學(xué)家們選擇了能量最高的區(qū)域——毫米和亞毫米波段。

值得注意的是，此處的有效口徑，其實(shí)取決于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離。2017年有8個(gè)亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入了觀測(cè)，2018年北極圈之內(nèi)格陵蘭島的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡也加入其中，基線長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，也進(jìn)一步改善了望遠(yuǎn)鏡的分辨率。

然而，盡管我們現(xiàn)在的亞毫米望遠(yuǎn)鏡基線已經(jīng)達(dá)到了1萬(wàn)公里，但空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測(cè)的有限區(qū)域內(nèi)，就相當(dāng)于只有有限的幾個(gè)像素。在《星際穿越》電影當(dāng)中，天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞形象——包括吸積盤(pán)的許多具體細(xì)節(jié)——都通過(guò)技術(shù)手段呈現(xiàn)了出來(lái)，然而在真實(shí)的情況下，我們?cè)谡掌兄荒芸吹轿e盤(pán)上的幾個(gè)亮斑而已。

隨之而來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是，既然我們可以將兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡放置得很遠(yuǎn)從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，那么我們能否只用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡來(lái)完成黑洞照片呢？

很遺憾，不行。觀測(cè)要求的不僅僅是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié)，而高靈敏度則能夠讓我們看到更暗的天體。

在視界面望遠(yuǎn)鏡的陣列中，位于南極的SPT望遠(yuǎn)鏡在增加基線長(zhǎng)度或者說(shuō)再提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率方面起到了非常大的作用，而位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列對(duì)于提高靈敏度非常重要——望遠(yuǎn)鏡真實(shí)的有效面積越大，靈敏度也就越高，ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列將視界面望遠(yuǎn)鏡的靈敏度提高了10倍以上，這也就意味著我們能夠探測(cè)到更弱的天體。

如果未來(lái)將更多望遠(yuǎn)鏡加入到這個(gè)陣列，我們就能探測(cè)到更弱的輻射區(qū)域，看到更多的細(xì)節(jié)，得到一張更加清晰的黑洞照片。

問(wèn)題3：為何這張簡(jiǎn)單而“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？

第一，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了10PB（=10240TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量讓數(shù)據(jù)處理的難度不斷加大。

另外，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程當(dāng)中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)有著非常多的不確定性——為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了特定的程序和工具。

最后，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們?cè)趦蓚€(gè)不同的地方分別處理、分別驗(yàn)證。全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)是位于美國(guó)的麻省理工學(xué)院，另外一個(gè)是位于德國(guó)的馬普射電所，二者彼此獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗(yàn)證和校對(duì)，保證了最終結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

問(wèn)題4：四年前引力波已讓我們“聽(tīng)”到了來(lái)自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，是因?yàn)楹诙磪^(qū)域?qū)嵲谔×恕巴h(yuǎn)鏡的角分辨率或者放大倍數(shù)不夠大，在過(guò)去的幾年中，我們才真正實(shí)現(xiàn)了能夠看到黑洞附近區(qū)域的分辨能力。

其實(shí)，早在2017年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時(shí)間，并且利用8個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)中的幾個(gè)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)嘗試，探測(cè)了銀河系黑洞附近的區(qū)域，結(jié)果確實(shí)在亞毫米波段探測(cè)到了周?chē)囊恍┹椛洌@給了團(tuán)隊(duì)很大的信心。

在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實(shí)存在的電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的——少數(shù)科學(xué)家會(huì)提出一些怪異的理論來(lái)作為黑洞的替代物，因?yàn)槲覀儾](méi)有直接觀測(cè)到黑洞的模樣。

2016年探測(cè)到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類(lèi)似于聲波的“聽(tīng)”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對(duì)于更傾向于“眼見(jiàn)為實(shí)”、“有圖有真相”的人類(lèi)而言，以直觀的電磁方式探測(cè)到黑洞還是非常讓人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探測(cè)到之后，視界面望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有放棄觀測(cè)，反而以全球聯(lián)網(wǎng)的方式，把這一探測(cè)技術(shù)推向了極致。

問(wèn)題5：黑洞照片對(duì)于驗(yàn)證相對(duì)論、揭秘星系演化有何意義？

這次的直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在，同時(shí)也通過(guò)模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論做出了驗(yàn)證。在視界面望遠(yuǎn)鏡的工作過(guò)程和后來(lái)的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，所觀測(cè)到的黑洞陰影和相對(duì)論所預(yù)言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛(ài)因斯坦的偉大。

另外一個(gè)重要意義在于，科學(xué)家們可以通過(guò)黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對(duì)M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量。在此之前，精確測(cè)量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。

受限于觀測(cè)分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來(lái)隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入，我們期望看到黑洞周?chē)喔S富的細(xì)節(jié)，從而更深入地了解黑洞周?chē)臍怏w運(yùn)動(dòng)、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制，完善我們對(duì)于星系演化的認(rèn)知與理解。

問(wèn)題6：那么，“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照片嗎？

科學(xué)家之前探測(cè)黑洞，是通過(guò)探測(cè)黑洞周?chē)奈e盤(pán)或者黑洞噴流產(chǎn)生的輻射，來(lái)間接地探測(cè)黑洞的存在。

從理論上來(lái)講，任何能夠產(chǎn)生輻射的黑洞都是適合拍照的，但受技術(shù)限制，我們只能選擇拍攝到那些看起來(lái)非常大的黑洞，這樣才有可能看到黑洞周?chē)囊恍┘?xì)節(jié)。

視界面望遠(yuǎn)鏡此次觀測(cè)其實(shí)選定了兩個(gè)目標(biāo)：一個(gè)是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量為450萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量，距離地球2.6萬(wàn)光年；另外一個(gè)是位于M87星系中心的黑洞，其質(zhì)量為65億倍的太陽(yáng)質(zhì)量，距離地球5300萬(wàn)光年。

黑洞半徑通常以史瓦西半徑來(lái)描述，與黑洞質(zhì)量成唯一正比關(guān)系，如果我們將視界大小定義為黑洞直徑和黑洞距離的比值，那么我們可以知道，銀河系中心黑洞的視界大小約為M87中心黑洞視界大小的1.4倍。這是我們知道的最大的兩個(gè)黑洞，而那些質(zhì)量只有幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，盡管距離相對(duì)比較近，但是因?yàn)槠滟|(zhì)量過(guò)小，視界大小更小，就更難被我們的望遠(yuǎn)鏡看到了。

問(wèn)題7：既然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞這么大、距離這么近，為什么這一次只發(fā)布了更為遙遠(yuǎn)的M87的照片，而沒(méi)有銀河系中心黑洞的照片呢？

M87中心黑洞附近氣體活動(dòng)比較劇烈，我們之前已經(jīng)觀測(cè)到了它所產(chǎn)生的強(qiáng)烈噴流，相較之下，銀河系黑洞的活動(dòng)不那么劇烈。

另外一個(gè)很重要的原因是，我們的太陽(yáng)系處在銀河系的銀盤(pán)上，在我們?cè)噲D利用視界面望遠(yuǎn)鏡探測(cè)來(lái)自于黑洞周?chē)妮椛浠蚬庾拥臅r(shí)候，這些光子會(huì)受到傳播路徑上星際氣體的影響——?dú)怏w會(huì)散射這些光子，將觀測(cè)結(jié)果模糊化。

而M87是一個(gè)包含氣體很少的橢圓星系，受到的氣體干擾相對(duì)少很多，科學(xué)家們可以比較順利地進(jìn)行觀測(cè)。我們?cè)诖髿鈱又畠?nèi)觀測(cè)天體時(shí)也會(huì)有類(lèi)似情況，因?yàn)榇髿鈹_動(dòng)的緣故，望遠(yuǎn)鏡的分辨率有時(shí)很難達(dá)到理想狀況。消除星際氣體散射的效應(yīng)是科學(xué)家接下來(lái)需要克服的一個(gè)重要難題。

問(wèn)題8：中國(guó)科學(xué)家在“黑洞照相館”中發(fā)揮了什么作用？全球科學(xué)家是如何打配合戰(zhàn)的？

中國(guó)大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有直接參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)當(dāng)中，最直接的一個(gè)原因在于，中國(guó)大陸兩個(gè)建好的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（一個(gè)是位于青海德林哈的13.7米望遠(yuǎn)鏡，另一個(gè)是位于西藏的CCOSMA望遠(yuǎn)鏡）不具備VLBI聯(lián)網(wǎng)功能。但即使它們可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，同步觀測(cè)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲覀兊膬蓚€(gè)望遠(yuǎn)鏡正好位于靈敏度非常高的ALMA陣列的背面位置。

廣為人知的中國(guó)FAST天眼望遠(yuǎn)鏡也沒(méi)有機(jī)會(huì)參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)行列。首先其工作波段不同，另外，亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣所吸收，所以視界面望遠(yuǎn)鏡都位于海拔比較高而且干燥的地方，比如ALMA望遠(yuǎn)鏡就位于海拔5000多米的acatama沙漠當(dāng)中。

但是，位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）是EHT聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一，由中國(guó)科研機(jī)構(gòu)參與，為視界面望遠(yuǎn)鏡提供了必不可少的觀測(cè)保障。

此外，部分中國(guó)科學(xué)家也參與了后期的數(shù)據(jù)分析和討論，為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻(xiàn)。（編輯/任偉）