首张黑洞照片

 4月10日，在天文学和物理学的历史上，注定将是不平凡的日子！人类有史以来的第一张黑洞照片这一天在美国华盛顿、比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京等六地同步发布。

 一、黑洞的猜想

 早在1783年，英国地理学家约翰·米歇尔（John Michell）便已经意识到：一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。“宇宙中存在着大量的‘引力怪兽’，它们像幽灵般游荡在空旷的星际之中，没有人能够直接看到它们。只有当它们的身边恰好有发光的物质围绕时，它们的行踪才会暴露……”这位自然哲学家将这些引力怪兽称为“暗星”，后来，这些暗星有了一个更响亮的名字——黑洞。

 1915 年，广义相对论作为爱因斯坦提出的革命性理论之一问世。在这个理论中，爱因斯坦提出，物质会扭曲或弯曲时空的几何结构，人类以重力的形式感受到这种时空扭曲，而黑洞正是爱因斯坦理论的首批预测之一。

 1967年，惠勒在一场演讲中使用了“黑洞”这个词，自此之后，黑洞这一概念逐渐流传了开来。100多年来，人类迎来了一批又一批黑洞存在的间接证据：附近恒星轨道的引力摆动、星际气体云的变化、气态射流喷出等等。一些超大质量黑洞隐藏在宇宙中各大星系的核心区域，但即使是爱因斯坦本人也不确定它们是否真的存在。

 二、黑洞的形成

 黑洞是怎么形成的？

 像宇宙万物一样，恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时，内核会急剧塌缩，所有物质快速的向着一个点坍缩，最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点，并形成一个强大的力场漩涡，扭曲周围时空，成为黑洞。

 天文学家依据质量将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍—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）。

 宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗，它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外，银河系还有很多恒星级黑洞。根据理论推算，银河系中除了这一超大质量的黑洞外，还应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而，因为黑洞自身不发射和反射电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到它。

 既然无法“看见”，那怎么就知道它存在呢？天文学家们主要是通过各种间接的证据。一是恒星、气体的运动透漏了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质，也就是吃东西时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。到目前为止，通过间接的观测，科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞。

 三、测量遇到的困难

 这些神秘的黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系？它和所在的星系之间又有什么关系？它又和我们人类有什么关系，会不会对我们的生活产生影响……为了更准确清晰地解答这些问题，科学家们想直接“看”到黑洞。

 虽然黑洞本身不发光，但因为黑洞的存在，周围时空弯曲，气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中，引力能转化为光和热，因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，事件视界看起来就像阴影，阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。

 爱因斯坦的广义相对论已预测过这个“阴影”的存在，以及它的大小和形状。但对我们来说，要想直接观察依然非常困难。科学家们选择了两个近邻的黑洞来直接观察，它们一个位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。

 Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳，所对应的视界面尺寸约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。然而，由于地球与Sgr A*相距2万5千光年（约24亿亿公里）之遥，它巨大的视界面在我们看来，大概只有针尖那么小，就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

 M87的情况也好不到哪儿去。尽管M87中心黑洞的质量更为巨大，达到了60亿个太阳质量，但M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，它的事件视界对科学家们而言，跟Sgr A*大小差不多，或许仅仅稍微大那么一点儿。

 所以，尽管被选择的两个黑洞已是最优成像候选体，但要清晰为它拍照，难度还是极其大。

 四、创新测量方法

 在上述情况下，要直接观察到“黑洞”，相机的空间分辨率就显得非常重要了。

 2016 年，天文学家们发起了一项名为“视界望远镜”的国际观测项目（EHT），该项目动用了位于世界各地的 8 个独立射电望远镜，包括亚毫米波望远镜；IRAM 30 米望远镜；APEX 望远镜；James Clerk Maxwell 望远镜；大毫米波望远镜；次毫米波阵列望远镜；阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列；以及南极望远镜。建造一个地球大小的射电望远镜是不可能的，但EHT项目的科学家们通过将遍布全世界的这八个望远镜连接起来，模拟出了一个地球大小的巨型望远镜，达到了它的最佳分辨率。

 即便日此，留给科学家们的观测窗口期也非常短暂，每年只有大约10天时间。对于2017年来说，是在4月5日到4月14日之间。这还要考虑拍摄时天气条件的状况。大气中的水对这一观测波段的影响极大，水会影响射电波的强度，要想视界面望远镜顺利观测，需要所有望远镜所在地的天气情况都非常好。

 就在这极其苛刻的条件要求下，并在 VLBI 技术（甚长基线干涉测量）的帮助下，8 个望远镜EHT 于 2017 年 4 月首次全面运行，8 台射电望远镜对准了前述两个候选的黑洞，对这两个黑洞总共观测了约 5 个夜晚，产生了 4PB 的数据（若转换成 MP3 格式需播放 8000 年才能听完）。

 五、数据处理

 采集的数据量如此之大，处理起来也非常麻烦。

 为了确保信号的稳定性，事件视面望远镜利用原子钟来确保望远镜收集并记录信号在时间上同步。即便这样，拍摄结束后，不同的望远镜还要对各自采集的数据进行时间和相位的重新矫正，以实现多个数据的同步。这本身就是一项繁琐的工作，而数据的后期处理更加耗费精力。如此巨量的数据，网络带宽不够传输，研究人员转而将数据拷贝到硬盘上，通过快递硬盘实体来交换数据，这竟然成为了比网络传输更快的方式。

 各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心（分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所）。在那里，超级计算机通过回放硬盘记录的数据，在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析，从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。

 此后，经过长达两年的“冲洗”，2019年4月10日，人类历史上首张黑洞照片终于问世。

 六、探索的意义

 4年前，LIGO（激光干涉引力波天文台）的两个探测仪探测到了由双黑洞合并产生的引力波信号，人类第一次听到了“宇宙的声音”。如今，科学家们又在为探寻黑洞的真容而不断努力，哪怕它离我们是如此遥远。有人会问，这么大费周章地给黑洞拍张照，真的值得吗？

 这张黑洞照片，不只是一张简单的照片，其对于人类探索宇宙而言意义非凡。它将验证爱因斯坦的广义相对论，帮助科学家了解黑洞是如何吞噬物体和喷射喷流的，以及证明黑洞的边缘，即黑洞的视界的存在，或许还能找到不同于黑洞的未知物体。此前，黑洞的形象仅停留在物理学家以公式表现的形态中，非常抽象。此次实体影像一旦搜集成功，将让黑洞成为具体的形象，这对科学研究有巨大的帮助。它将呈现更多人们过去不了解的信息，指引科学家去做出新的发现。

 近年来，伴随着科技进步，全人类探索宇宙的热度可谓不断上升。刘慈欣的科幻小说吸引了全世界的读者，《星际穿越》、《流浪地球》等硬核科幻电影同样引发了热烈讨论。

 去年下半年，美国“洞察者”号探测器成功登陆火星；今年年初，我国“嫦娥四号”探测器又顺利着陆在月球背面，传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。如今，素有“最神秘的宇宙之谜”之称的黑洞，我们也有了第一张真正的照片。

 人类对于未知事物始终充满好奇，而今后对于宇宙探索的热度只会增不会减。人类的征程永远都少不了星辰大海。