史上第一張黑洞照片

豌豆皮

新聞導(dǎo)讀：2019年4月10日，北京時(shí)間晚上9點(diǎn)，黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織在全球不同的城市——日本東京、丹麥林格比、比利時(shí)布魯塞爾、美國(guó)華盛頓、西班牙圣地亞哥，還有中國(guó)的上海和臺(tái)北，同步發(fā)布了史上第一張黑洞照片，為我們揭示了距離地球5350萬光年之遠(yuǎn)的巨橢圓星系M87中心埋藏的超大質(zhì)量黑洞的真面目。黑洞再也不是只存在于理論、推測(cè)和概念圖中的天體，人們終于可以“眼見為實(shí)”，親眼見到它的真實(shí)形象。

一起來讀圖

這張黑洞的照片并不像我們生活中常見的照片那樣纖毫畢現(xiàn)，而是顯得有些模糊。這是因?yàn)榕臄z的目標(biāo)距離我們實(shí)在太遠(yuǎn)。雖然M87星系中心的黑洞推測(cè)足有64億個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，·事件視界的半徑達(dá)到180億千米，但在5350萬光年的距離尺度上，它的可視大小只相當(dāng)于月面上的一只冰紅茶瓶蓋。

事件視界

黑洞的真實(shí)表面，也就是所謂“事件視界”，是以黑洞的質(zhì)量聚集點(diǎn)——奇點(diǎn)為中心的一道時(shí)空邊界，在這個(gè)邊界以內(nèi)的一切，不管是物質(zhì)、輻射還是信息，都無法來到邊界外。天文學(xué)家把黑洞定義為在這個(gè)邊界內(nèi)的所有事件的集合，所以它叫“事件視界”。

當(dāng)然黑洞本身不發(fā)光，也沒有任何光線能從它的事件視界內(nèi)部跑出來，我們只能在它周圍的明亮背景上看到它形成的陰影。陰影比黑洞本身大，根據(jù)廣義相對(duì)論可以算出來，陰影直徑大約是事件視界半徑的五倍，所以要看到它的難度稍微“降低”了一點(diǎn)，相當(dāng)于看到月面上的一只蘋果，需要的分辨率是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）的1000多信。沒有任何的單體望遠(yuǎn)鏡能夠達(dá)到這樣的分辨率，所以黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡并不只是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它是由包括中國(guó)在內(nèi)的十幾個(gè)國(guó)家/地區(qū)的200多名科學(xué)家組成的一個(gè)國(guó)際合作計(jì)劃，使用位于世界6個(gè)地方的7臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，通過后期綜合處理每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡收到的信號(hào)，達(dá)到一臺(tái)綜合口徑相當(dāng)于地球直徑的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。

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其實(shí)，參加EHT計(jì)劃的望遠(yuǎn)鏡一共有8臺(tái)，但位于南極的那一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡由于位置所限看不到目標(biāo)黑洞。

這次的照片是在1.3毫米的射電波段拍攝的，極限分辨本領(lǐng)大約是目標(biāo)黑洞陰影寬度的一半，這才獲得了圖中的影像。不過，綜合口徑“相當(dāng)于”地球直徑并不等于真的有一臺(tái)那么巨大的望遠(yuǎn)鏡，畢竟能夠接收信號(hào)的面積還是只有那7臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的面積，所以信號(hào)強(qiáng)度很弱，雖然看見了，但還是比較模糊。研究人員需要精確校準(zhǔn)來自不同望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)在傳輸過程中的時(shí)間差，再對(duì)相當(dāng)于幾百萬部高清電影的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，因此從拍攝到發(fā)布照片，經(jīng)歷了剛好兩周年時(shí)間。

照片中的黑洞隱藏在中央的陰影中，周圍是一片明亮的背景，這是黑洞周圍的吸積盤或噴流發(fā)出的光。黑洞周圍的氣體受到黑洞引力的作用，朝高速旋轉(zhuǎn)的黑洞落下，就會(huì)圍繞著黑洞形成一個(gè)吸積盤。吸積盤上的氣體在下落的過程中不斷加速，繞著黑洞高速運(yùn)動(dòng)，最終的速度可以接近光速。物質(zhì)以這樣的速度相互摩擦，溫度非常高，發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，在望遠(yuǎn)鏡的視野里就顯得非常明亮。黑洞還會(huì)朝兩極方向噴出高速運(yùn)動(dòng)的粒子，速度可以達(dá)到光速的百分之幾十，也會(huì)顯得很明亮。M87星系中心的黑洞，正是由于長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千光年的筆直的噴流，才在一百年前就引起了人們的注意。在吸積盤和噴流產(chǎn)生的明亮背景映襯下，吸收進(jìn)入自己的一切光線的黑洞才能被我們看見。

為什么黑洞的陰影比事件視界要大呢？因?yàn)樘咏录暯邕吘壍墓?，雖然能夠離開黑洞而不被黑洞吞噬，但波長(zhǎng)會(huì)被黑洞的引力極端拉長(zhǎng)，攜帶的能量也幾乎全消耗在逃離黑洞的過程中，所以變得非常暗，無法在我們的望遠(yuǎn)鏡里成像，成為黑洞周圍的陰影。而距離黑洞邊界一定距離的光呢，不但能夠逃掉，在逃離的過程中還需要繞著黑洞跑很多圈，積累的亮度特別高。所以雖然吸積盤和噴流的寬度和長(zhǎng)度是黑洞的許多倍，但在這張照片上，我們只能看到陰影周圍的一道窄窄的光環(huán)。光環(huán)中匯聚的不但有來自黑洞周圍的光，還有來自黑洞“背后”，被它的引力所彎曲的光。光環(huán)一邊寬、一邊窄，一邊亮、一邊暗，這是由黑洞的自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，從照片中的情況看，這個(gè)黑洞是一枚從下往上轉(zhuǎn)的“上旋球”。從黑洞陰影的形狀可以印證廣義相對(duì)論的引力理論，看來在事件視界附近，我們所知的引力理論還沒有失效。

未來

M87中心的黑洞只是事件視界望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)之一，另一個(gè)目標(biāo)是位于銀河系中心的黑洞。雖然它與我們的距離“只有”26萬光年，但銀心黑洞的質(zhì)量小得多，在視野中呈現(xiàn)出來的面積只比M87的黑洞稍大一點(diǎn)點(diǎn)。在未來，隨著加入觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡數(shù)量增多，觀測(cè)用的波長(zhǎng)也有望從1.3毫米縮短到O.8毫米，以同樣的綜合口徑可以得到更高的精度和更明亮的圖像，由此探尋在黑洞表面附近的各種細(xì)節(jié)。天文學(xué)家希望能更細(xì)致地研究吸積盤和噴流的形成過程，再在事件視界附近的強(qiáng)引力場(chǎng)中驗(yàn)證更多廣義相對(duì)論的預(yù)言。