大(dà)量天文觀測數據已證實，在(zài)浩瀚的(de)宇宙當中，有無數的(de)黑洞神秘地(dì / de)藏身于(yú)各星系中。

但人(rén)類卻從未直接“看”到(dào)過黑洞，并不(bù)知道(dào)它的(de)真實模樣。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)能一(yī / yì ／yí)睹黑洞真容，2017年4月5日到(dào)14日之(zhī)間，來(lái)自全球30多個(gè)研究所的(de)科學家們啓動了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)項雄心勃勃的(de)龐大(dà)觀測計劃。他(tā)們将分布于(yú)全球不(bù)同地(dì / de)區的(de)8個(gè)射電望遠鏡陣列組成一(yī / yì ／yí)個(gè)虛拟望遠鏡網絡，希望利用其捕獲黑洞影像。

最終，科學家們成功拍攝到(dào)了(le／liǎo)黑洞的(de)第一(yī / yì ／yí)幅“照片”。

北京時(shí)間2019年4月10日21時(shí)，這(zhè)張照片在(zài)美國(guó)華盛頓、中國(guó)上(shàng)海和(hé / huò)台北、智利聖地(dì / de)亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和(hé / huò)日本東京六地(dì / de)同時(shí)發布。傳說(shuō)中的(de)黑洞終于(yú)揭開神秘面紗。

人(rén)類有史以(yǐ)來(lái)的(de)第一(yī / yì ／yí)張黑洞照片是(shì)如何拍攝的(de)，記者爲(wéi / wèi)您揭秘整個(gè)過程。

認識黑洞

理論上(shàng)，黑洞是(shì)愛因斯坦廣義相對論預言存在(zài)的(de)一(yī / yì ／yí)種天體。它具有的(de)超強引力使得光也(yě)無法逃脫它的(de)勢力範圍，該勢力範圍稱作黑洞的(de)半徑或稱作事件視界。

那麽，黑洞是(shì)怎麽形成的(de)？

像宇宙萬物一(yī / yì ／yí)樣，恒星也(yě)會衰老死亡。一(yī / yì ／yí)些大(dà)質量恒星在(zài)核聚變反應燃料耗盡時(shí)，内核會急劇塌縮，所有物質快速的(de)向着一(yī / yì ／yí)個(gè)點坍縮，最終坍縮成一(yī / yì ／yí)顆黃豆大(dà)小的(de)奇點，并形成一(yī / yì ／yí)個(gè)強大(dà)的(de)力場漩渦，扭曲周圍時(shí)空，成爲(wéi / wèi)黑洞。

宇宙中，根據質量天文學家們将宇宙中的(de)黑洞分成三類：恒星級質量黑洞（幾十倍—上(shàng)百倍太陽質量）、超大(dà)質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以(yǐ)上(shàng)）和(hé / huò)中等質量黑洞（介于(yú)兩者之(zhī)間）。

根據理論推算，銀河系中應該存在(zài)着上(shàng)千萬個(gè)恒星量級的(de)黑洞。然而(ér)，因爲(wéi / wèi)黑洞自身不(bù)發射和(hé / huò)反射電磁波，儀器和(hé / huò)肉眼都無法直接觀測到(dào)它。

既然無法“看見”，那怎麽就(jiù)知道(dào)它存在(zài)呢？天文學家們主要(yào / yāo)是(shì)通過各種間接的(de)證據。

中國(guó)科學院上(shàng)海天文台研究員沈志強：“主要(yào / yāo)有三類代表性證據。一(yī / yì ／yí)是(shì)恒星、氣體的(de)運動透漏了(le／liǎo)黑洞的(de)蹤迹。黑洞有強引力，對周圍的(de)恒星、氣體會産生影響，于(yú)是(shì)我們可以(yǐ)通過觀測這(zhè)種影響來(lái)确認黑洞的(de)存在(zài)。二是(shì)根據黑洞吸積物質，也(yě)就(jiù)是(shì)吃東西時(shí)發出(chū)的(de)光來(lái)判斷黑洞的(de)存在(zài)。第三則是(shì)通過看到(dào)黑洞成長的(de)過程‘看’見黑洞。”

到(dào)目前爲(wéi / wèi)止，通過間接的(de)觀測，科學家們在(zài)銀河系發現和(hé / huò)确認了(le／liǎo)20多個(gè)恒星級質量黑洞，但可能有上(shàng)千萬個(gè)恒星級黑洞候選體。

沈志強說(shuō)：“宇宙每個(gè)星系中心都有一(yī / yì ／yí)個(gè)超大(dà)質量的(de)黑洞。我們居住的(de)銀河系中心就(jiù)有一(yī / yì ／yí)顆，它的(de)質量大(dà)約是(shì)太陽質量的(de)400多萬倍。除此之(zhī)外，銀河系還有很多恒星級黑洞。”

這(zhè)些神秘的(de)黑洞和(hé / huò)宇宙的(de)誕生和(hé / huò)演化有何關系？它和(hé / huò)所在(zài)的(de)星系之(zhī)間又有什麽關系？它又和(hé / huò)我們人(rén)類有什麽關系，會不(bù)會對我們的(de)生活産生影響？……

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)更準确清晰地(dì / de)解答這(zhè)些問題，科學家們想直接“看”到(dào)黑洞。

（視頻來(lái)源：中科院上(shàng)海天文台）

準備“相機”

廣義相對論預言，雖然黑洞本身不(bù)發光，但因爲(wéi / wèi)黑洞的(de)存在(zài)，周圍時(shí)空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的(de)過程中，引力能轉化爲(wéi / wèi)光和(hé / huò)熱，因此氣體被加熱至數十億度。黑洞就(jiù)像沉浸在(zài)一(yī / yì ／yí)片類似發光氣體的(de)明亮區域内，事件視界看起來(lái)就(jiù)像陰影，陰影周圍環繞着一(yī / yì ／yí)個(gè)由吸積或噴流輻射造成的(de)如新月狀的(de)光環。

愛因斯坦的(de)廣義相對論已預測過這(zhè)個(gè)“陰影”的(de)存在(zài)，以(yǐ)及它的(de)大(dà)小和(hé / huò)形狀。

科學家們期望這(zhè)次能直接捕獲到(dào)這(zhè)個(gè)黑洞“陰影”的(de)圖像。

中國(guó)科學院上(shàng)海天文台研究員路如森說(shuō)：“對黑洞陰影的(de)成像将能提供黑洞存在(zài)的(de)直接‘視覺’證據。”

路如森說(shuō)：“這(zhè)就(jiù)必須要(yào / yāo)保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的(de)細節足夠小，從而(ér)能保證看得到(dào)和(hé / huò)看得清。”

但滿足上(shàng)述所有條件，望遠鏡的(de)口徑需要(yào / yāo)像地(dì / de)球大(dà)小。

然而(ér)，目前地(dì / de)球上(shàng)已有的(de)單個(gè)望遠鏡最大(dà)口徑也(yě)隻有500米。

那該怎麽辦？

聰明的(de)天文學家們想到(dào)了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)好辦法——搞強強聯合。

把地(dì / de)球上(shàng)現有的(de)一(yī / yì ／yí)些望遠鏡“組合”起來(lái)，就(jiù)能夠形成一(yī / yì ／yí)個(gè)口徑如地(dì / de)球大(dà)小的(de)“虛拟”望遠鏡,其所達到(dào)的(de)靈敏度和(hé / huò)分辨本領都是(shì)前所未有的(de)。

于(yú)是(shì)，全球超過200名科學家達成了(le／liǎo)“事件視界望遠鏡”（EHT）這(zhè)一(yī / yì ／yí)重大(dà)國(guó)際合作計劃，決定利用甚長基線幹涉測量技術。

沈志強說(shuō)：“就(jiù)是(shì)利用多個(gè)位于(yú)不(bù)同地(dì / de)方的(de)望遠鏡在(zài)同一(yī / yì ／yí)時(shí)間進行聯合觀測，最後将數據進行相關性分析之(zhī)後合并，這(zhè)一(yī / yì ／yí)技術在(zài)射電波段已相當成熟。”

最終，科學家們選定了(le／liǎo)來(lái)自全球多地(dì / de)的(de)包括南極望遠鏡等8個(gè)亞毫米射電望遠鏡。

路如森說(shuō)：“它們多數都是(shì)單一(yī / yì ／yí)望遠鏡，比如夏威夷的(de)JCMT和(hé / huò)南極望遠鏡。也(yě)有望遠鏡陣列，比如ALMA望遠鏡是(shì)由70多個(gè)小望遠鏡構成。”

選定目标

在(zài)組建大(dà)型虛拟望遠鏡的(de)同時(shí)，科學家們也(yě)在(zài)尋找着合适的(de)拍攝目标。

黑洞剪影和(hé / huò)周圍環繞的(de)新月般光環是(shì)非常非常小的(de)。在(zài)拍照設備能力有限的(de)情況下，要(yào / yāo)想拍攝到(dào)黑洞照片，必須找到(dào)一(yī / yì ／yí)個(gè)看起來(lái)角直徑足夠大(dà)的(de)黑洞作爲(wéi / wèi)目标。

科學家們甄選了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)圈之(zhī)後，決定将近鄰的(de)兩個(gè)黑洞作爲(wéi / wèi)主要(yào / yāo)目标：一(yī / yì ／yí)個(gè)是(shì)位于(yú)人(rén)馬座方向的(de)銀河系中心黑洞Sgr A*，另一(yī / yì ／yí)個(gè)則是(shì)位于(yú)射電星系M87的(de)中心黑洞M87*。

沈志強說(shuō)：“由于(yú)黑洞事件視界的(de)大(dà)小與其質量成正比，這(zhè)也(yě)意味着質量越大(dà)，其事件視界越大(dà)。我們選定的(de)這(zhè)兩個(gè)黑洞質量都超級大(dà)，它們的(de)事件視界在(zài)地(dì / de)球上(shàng)看起來(lái)也(yě)是(shì)最大(dà)的(de)，可以(yǐ)說(shuō)是(shì)目前最優的(de)成像候選體。”

盡管如此被選擇的(de)兩個(gè)黑洞已是(shì)最優成像候選體，但要(yào / yāo)清晰爲(wéi / wèi)它拍照，難度還是(shì)極其大(dà)。

Sgr A*黑洞的(de)質量大(dà)約相當于(yú)400萬個(gè)太陽，所對應的(de)視界面尺寸約爲(wéi / wèi)2400萬公裏，相當于(yú)17個(gè)太陽的(de)大(dà)小。然而(ér)，地(dì / de)球與Sgr A*相距2萬5千光年（約24億億公裏）之(zhī)遙。

沈志強說(shuō)：“這(zhè)就(jiù)意味着，它巨大(dà)的(de)視界面在(zài)我們看來(lái)，大(dà)概隻有針尖那麽小，就(jiù)像我們站在(zài)地(dì / de)球上(shàng)去觀看一(yī / yì ／yí)枚放在(zài)月球表面的(de)橙子(zǐ)。”

M87中心黑洞的(de)質量更爲(wéi / wèi)巨大(dà)，達到(dào)了(le／liǎo)60億個(gè)太陽質量。

盡管M87中心黑洞與地(dì / de)球的(de)距離要(yào / yāo)比Sgr A*與地(dì / de)球之(zhī)間的(de)距離更遠，但因質量龐大(dà)，所以(yǐ)它的(de)事件視界對科學家們而(ér)言，可能跟Sgr A*大(dà)小差不(bù)多，甚至還要(yào / yāo)稍微大(dà)那麽一(yī / yì ／yí)點兒。

調試相機

要(yào / yāo)想看清楚兩個(gè)黑洞事件視界的(de)細節，事件視界望遠鏡的(de)空間分辨率要(yào / yāo)達到(dào)足夠高才行。

要(yào / yāo)多高呢？

路如森說(shuō)：“比哈勃望遠鏡的(de)分辨率高出(chū)1000倍以(yǐ)上(shàng)。”

但也(yě)别以(yǐ)爲(wéi / wèi)，隻要(yào / yāo)虛拟望遠鏡陣列的(de)分辨率足夠高，就(jiù)一(yī / yì ／yí)定能成功給黑洞拍照。

實際情況并沒那麽簡單！如同觀看電視節目必須選對頻道(dào)一(yī / yì ／yí)樣，對黑洞成像而(ér)言，能夠在(zài)合适的(de)波段進行觀測至關重要(yào / yāo)。

此前的(de)一(yī / yì ／yí)系列研究表明，觀測黑洞事件視界“陰影”的(de)最佳波段是(shì)約爲(wéi / wèi)1毫米。

路如森說(shuō)：“因爲(wéi / wèi)氣體在(zài)這(zhè)個(gè)波段的(de)輻射最明亮，而(ér)且射電波也(yě)可以(yǐ)不(bù)被阻擋地(dì / de)從銀河系中心傳播到(dào)地(dì / de)球。”

在(zài)這(zhè)種情況下，望遠鏡的(de)分辨率取決于(yú)望遠鏡之(zhī)間的(de)距離，而(ér)非單個(gè)望遠鏡口徑的(de)大(dà)小。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)增加空間分辨率，以(yǐ)看清更爲(wéi / wèi)細小的(de)區域，科學家們在(zài)此次進行觀測的(de)望遠鏡陣列裏增加了(le／liǎo)位于(yú)智利和(hé / huò)南極的(de)望遠鏡。

沈志強說(shuō)：“這(zhè)樣設置是(shì)爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)要(yào / yāo)保證所有8個(gè)望遠鏡都能看到(dào)這(zhè)兩個(gè)黑洞，從而(ér)達到(dào)最高的(de)靈敏度和(hé / huò)最大(dà)的(de)空間分辨率。”

正式拍攝

8個(gè)望遠鏡北至西班牙，南至南極，它們将向選定的(de)目标撒出(chū)一(yī / yì ／yí)條大(dà)網，撈回海量數據，爲(wéi / wèi)我們勾勒出(chū)黑洞的(de)模樣。

留給科學家們的(de)觀測窗口期非常短暫，每年隻有大(dà)約10天時(shí)間。對于(yú)2017年來(lái)說(shuō)，是(shì)在(zài)4月5日到(dào)4月14日之(zhī)間。

除了(le／liǎo)觀測時(shí)間上(shàng)的(de)限制，拍攝對天氣條件要(yào / yāo)求也(yě)極爲(wéi / wèi)苛刻。

“因爲(wéi / wèi)大(dà)氣中的(de)水對這(zhè)一(yī / yì ／yí)觀測波段的(de)影響極大(dà)，水會影響射電波的(de)強度，這(zhè)意味着降水會幹擾觀測。” 沈台說(shuō)，“要(yào / yāo)想視界面望遠鏡順利觀測，需要(yào / yāo)所有望遠鏡所在(zài)地(dì / de)的(de)天氣情況都非常好。”

按照要(yào / yāo)求，計劃選擇的(de)8個(gè)望遠鏡所在(zài)之(zhī)處均是(shì)位于(yú)海拔較高，降雨量極少，全部晴天的(de)概率非常高。

此外，要(yào / yāo)成像成功還必須要(yào / yāo)求所有望遠鏡在(zài)時(shí)間上(shàng)完全同步。

北京時(shí)間2017年4月4日，事件視界望遠鏡啓動拍攝，将視線投向了(le／liǎo)宇宙。最後的(de)觀測結束于(yú)美國(guó)東部時(shí)間4月11日。

觀測期間，每一(yī / yì ／yí)個(gè)射電望遠鏡都收集并記錄來(lái)自于(yú)目标黑洞附近的(de)射電波信号，這(zhè)些數據然後被集成用于(yú)獲得事件視界的(de)圖像。

沈志強說(shuō)：“爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)确保信号的(de)穩定性，事件視面望遠鏡利用原子(zǐ)鍾來(lái)确保望遠鏡收集并記錄信号在(zài)時(shí)間上(shàng)同步。”

沖洗照片

給黑洞拍張照片不(bù)容易，“洗照片”更是(shì)耗時(shí)漫長。

射電望遠鏡不(bù)能直接“看到(dào)”黑洞，但它們将收集大(dà)量關于(yú)黑洞的(de)數據信息，用數據向科學家們描述出(chū)黑洞的(de)樣子(zǐ)。

在(zài)觀測結束之(zhī)後，各個(gè)站點收集的(de)數據将被彙集到(dào)兩個(gè)數據中心（分别位于(yú)美國(guó)麻省Haystack天文台和(hé / huò)德國(guó)波恩的(de)馬普射電所）。在(zài)那裏，超級計算機通過回放硬盤記錄的(de)數據，在(zài)補償無線電波抵達不(bù)同望遠鏡的(de)時(shí)間差後将所有數據集成并進行校準分析，從而(ér)産生一(yī / yì ／yí)個(gè)關于(yú)黑洞高分辨率影像。

此後，經過長達兩年的(de)“沖洗”，2019年4月10日，人(rén)類曆史上(shàng)首張黑洞照片終于(yú)問世。

(來(lái)源:人(rén)民日報客戶端)