黑洞，“看到”你不容易！

荀利軍　黃月

小編的話：

還記得人類第一張黑洞照片什么樣嗎？對(duì)了，就是那個(gè)“甜甜圈”模樣的圖片啦！科學(xué)家“看到”它可是太不容易了，下面就讓我們結(jié)合幾個(gè)問題來繼續(xù)了解黑洞的奧秘吧！

2016年探測(cè)到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，使人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁是一種“看”的方式，對(duì)于更傾向于“眼見為實(shí)”“有圖有真相”的人類而言，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。

一、關(guān)于黑洞的研究歷時(shí)已久，4年前引力波已經(jīng)讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？

簡單地說，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。直到最近，我們才真正具有了能夠看到黑洞附近區(qū)域的能力。

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10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)到了周圍的一些輻射，這給了團(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證明黑洞的存在，因?yàn)槲覀儾]有直接觀測(cè)到黑洞的模樣。

二、“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，是通過探測(cè)黑洞周圍的吸積盤或者黑洞噴流產(chǎn)生的輻射，來間接地探測(cè)黑洞的存在。

從理論上來講，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，我們只能選擇拍攝那些看起來非常大的黑洞，這樣才有可能看到黑洞周圍的一些細(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450萬倍的太陽質(zhì)量，距離地球2.6萬光年;另外一個(gè)是位于M87星系中心的黑洞，其質(zhì)量為65億倍的太陽質(zhì)量，距離地球5300萬光年。

黑洞半徑通常以史瓦西半徑來描述，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，那么我們就可以知道，銀河系中心黑洞的視界大小約為M8了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)太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，盡管距離相對(duì)比較近，但是由于其質(zhì)量過小，視界更小，就更難被我們的望遠(yuǎn)鏡看到了。

三、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，相比之下，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，我們的太陽系處在銀河系的銀盤上。在我們?cè)噲D利用視界面望遠(yuǎn)鏡探測(cè)來自黑洞周圍的輻射或光子的時(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)有類似情況，由于大氣擾動(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)家接下來需要克服的一個(gè)重要難題。

四、中國科學(xué)家在“黑洞照相一館”中發(fā)揮了什么作用？全球科學(xué)家是如何打配合作戰(zhàn)的？

中國大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒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FAST天眼望遠(yuǎn)鏡也沒有機(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;其次，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多米的阿塔卡馬沙漠當(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，中國科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參與，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)。

（本文摘編自“中國科普博覽”公眾號(hào)）