連光都無法逃脫的黑洞是怎么被拍到的？

如果要評選出2019年最有價值和最受期待的照片，那么非人類拍攝的首張黑洞照片莫屬。它是黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)，從強引力場的角度驗證了愛因斯坦廣義相對論。

這張照片于2017年4月拍攝，兩年后才“沖洗”出來。2019年4月10日由黑洞事件視界望遠鏡（EHT）合作組織協(xié)調(diào)，在全球六地聯(lián)合發(fā)布。

看不見的黑洞如何證明它存在？

一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，將引力視為時空扭曲的效應(yīng)。他的方程預言，一個小而重的物體能隱藏在事件視界（event horizon）之內(nèi)，在視界內(nèi)，其引力強大到連光都無法逃脫，這個物體就是黑洞。幾乎所有的星系中心都存在黑洞，在那里，它們可以成長到太陽質(zhì)量的數(shù)百萬或者數(shù)十億倍。

在這次拍照前，主要有三類代表性證據(jù)可以表明黑洞的存在：

一、恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

二、根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)（科學家們把這個過程比喻成“吃東西”）發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。

三、通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

廣義相對論預言，因為黑洞的存在，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此，氣體被加熱至數(shù)十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。

給黑洞拍照不止是為了“眼見為實”

給黑洞拍照，有三個科學意義：

一、對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。黑洞是具有強引力的，給黑洞拍照最主要的目的，就是在強引力場下驗證廣義相對論，看看觀測結(jié)果是否與理論預言一致。

二、有助于理解黑洞是如何“吃東西”的。黑洞的“暗影”區(qū)域非?？拷诙赐淌晌镔|(zhì)形成的吸積盤的極內(nèi)部區(qū)域，這里的信息尤為關(guān)鍵，綜合之前觀測獲得的吸積盤更外側(cè)的信息，就能更好地重構(gòu)這個物理過程。

三、有助于理解黑洞噴流的產(chǎn)生和方向。某些朝向黑洞下落的物質(zhì)在被吞噬之前，會由于磁場的作用，沿著黑洞的轉(zhuǎn)動方向被噴出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，科學家沒法知道在靠近噴流產(chǎn)生的源頭處發(fā)生了什么。對黑洞暗影的拍攝，就能助天文學家一臂之力。

八位拍寫真的“攝影師”

為了捕獲第一張黑洞圖像，過去的十年多時間里，麻省理工學院的天文學家們聯(lián)合了其他機構(gòu)的同行們，讓全球八個天文臺同時對銀河系中心的黑洞Sgr A★和M87星系中的黑洞M87★展開亞毫米波段觀測，這些望遠鏡統(tǒng)稱為“事件視界望遠鏡”（EHT）。

由于EHT此次觀測的波段在1.3毫米，容易受地球大氣的水汽影響，因此，這些亞毫米波段望遠鏡分布在高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。

參與此次觀測的包括位于世界六個地點的八個臺站。其中，由于位置的限制，位于南極的SPT望遠鏡無法觀測到M87★。所以參與觀測M87★的望遠鏡實際上是七臺。

“沖洗”照片：復雜的后期數(shù)據(jù)處理分析

在這次拍攝黑洞照片的過程中，多臺設(shè)備同時觀測和記錄，然后將數(shù)據(jù)匯總到一起分析。2017年4月份的觀測中，八個臺站在五天觀測期間共記錄約3500TB的數(shù)據(jù)（1TB等于1024GB，相當于500小時的高清電影）。

因為數(shù)據(jù)量龐大得不可能靠網(wǎng)絡(luò)傳遞，所以，EHT用硬盤來記錄每個望遠鏡的原始觀測數(shù)據(jù)，再把硬盤寄回數(shù)據(jù)處理中心。

超級計算機需要獲取相同的信號到達兩個望遠鏡的時刻差（時延）以及時延隨著時間的變化快慢（時延率），校正射電波抵達不同望遠鏡的時間差，最后綜合兩個望遠鏡的位置信息、信號的強度以及上述兩個參數(shù)——時延、時延率，就可以對該天體的射電輻射強度和位置進行分析。

這個過程中，涉及數(shù)據(jù)量之多，處理難度之大，都是前所未有的。即使現(xiàn)在人類的運算能力已經(jīng)非常強大，這張照片還是花費了近兩年時間“沖洗”——從2017年4月開始，科學家們用了近兩年時間對這些數(shù)據(jù)進行后期處理和分析。終于，在2019年4月10日發(fā)布了首張黑洞照片。

EHT項目本身還將繼續(xù)“升級”，還會有更多的觀測臺站加入EHT，靈敏度和數(shù)據(jù)質(zhì)量都將提升。讓我們一起期待未來看到M87★和Sgr A★的更高清照片，發(fā)現(xiàn)照片背后的黑洞奧秘。

總之，人類既然已經(jīng)拍到第一張黑洞照片，那么黑洞成像的春天還會遠嗎？