來源：21Tech（News-21）
作者：楊清清
黑洞到底長什么樣？在2019年4月10日之前，沒有人知道確切的答案。
科幻電影里經(jīng)常喜歡描繪黑洞，并給出自己的想法。近年來最出名的一部與黑洞相關(guān)的電影莫過于2014年上映的《星際穿越》，它讓觀眾們“親眼”看到了黑洞的樣子。
這個名叫“卡岡圖雅”的黑洞由黑色天區(qū)與明亮光環(huán)構(gòu)成，相對論物理學(xué)家基普·索恩為影片設(shè)計了這個黑洞形象。2015年2月，該影片相關(guān)的可視化黑洞論文發(fā)表在期刊《Classical and Quantum Gravity》上，一定程度代表了學(xué)界對黑洞外觀的看法。
《星際穿越》中的黑洞“卡岡圖雅”
然而，你可以想象嗎？《星際穿越》上映五年后，人類居然真的可以看到黑洞的真容了！身為有史以來第一批“看見”黑洞的本屆人類，小編真的很開心啊！
北京時間2019年4月10日晚間，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）宣布了超大質(zhì)量黑洞的照片。真實的黑洞是長這個樣子的：
超大質(zhì)量黑洞M87中心的影像， 來源：21Tech
這次拍的是哪個洞？
黑洞一向在宇宙間神秘莫測。
這個連光線都無法逃脫其視界的物體，被美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）描述其為“不可思議的天體”。它由一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小、熱量無限大的奇點，加上周圍一部分空空如也的天區(qū)組成，吞噬著臨近宇宙區(qū)域的所有光線與物質(zhì)。
其中，黑洞的幾乎所有質(zhì)量都集中在奇點上，它也是黑洞強大引力場的中心。奇點周圍的天區(qū)存在一個臨界半徑，被稱為“視界面”。在這個半徑內(nèi)，就是黑洞的“勢力范圍”。
當(dāng)前質(zhì)量天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分成三類：
恒星級質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量)
超大質(zhì)量黑洞(幾百萬倍太陽質(zhì)量以上)
中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)
本次被拍照的就是黑洞界的“大塊頭”——超大質(zhì)量黑洞。
不過問題來了，拍照的前提是找到拍照對象。在這個連光線都能吞噬掉的怪物面前，如何才能確定它的位置呢？
據(jù)介紹，在這次拍照前，天文學(xué)家們通過各種間接的證據(jù)來表明黑洞的存在，主要有三類代表性證據(jù)：一是恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡，因為黑洞的強引力會對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響；二是根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)(相當(dāng)于“吃東西”)發(fā)出的光來判斷黑洞的存在；三是通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。
據(jù)了解，視界面望遠(yuǎn)鏡此次觀測目標(biāo)主要有兩個，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中的黑洞。之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標(biāo)，是因為它們的視界面在地球上看來足夠大。其它黑洞因為距離地球更遠(yuǎn)或質(zhì)量大小有限，觀測的難度更大。
其中，Sgr A*黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于400萬個太陽，所對應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，相當(dāng)于17個太陽的大小。M87中心黑洞的質(zhì)量則竟然達(dá)到60億個太陽質(zhì)量，視界范圍大約是冥王星軌道的三倍。
拍攝黑洞的正確姿勢
確定好位置后，如何進(jìn)行拍照呢？
據(jù)了解，本次拍到黑洞照片的EHT，是通過“甚長基線干涉技術(shù)”(VLBI)和全球多個射電天文臺的協(xié)作，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——事件視界望遠(yuǎn)鏡。
“拍照并非拍的是可見光波長范圍，而是EHT接收黑洞輻射，以此描述黑洞的外形?！币晃恢锌圃貉芯课锢韺W(xué)的朋友告訴21tech。
而要看清楚黑洞視界面的細(xì)節(jié)，望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率需要足夠高，甚至需要高到哈勃望遠(yuǎn)鏡的1000倍以上。此時“干涉技術(shù)”就登場了。
所謂“干涉技術(shù)”，是指利用多個位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡，在同一時間聯(lián)合觀測，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系分析后合并。這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取自望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個望遠(yuǎn)鏡的口徑大小。
據(jù)了解，此次為黑洞拍照的EHT由8個全球射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成，其分辨率相當(dāng)于一部口徑為地球直徑大小的射電望遠(yuǎn)鏡分辨率。它們分別是：
l 南極望遠(yuǎn)鏡（South Pole Telescope）；
l 位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA)；
l 位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠(yuǎn)鏡（Atacama Pathfinder Experiment）；
l 位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（Large Millimeter Telescope）；
l 位于美國亞利桑那州的（Submillimeter Telescope）；
l 位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；
l 位于夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Array）；
l 位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡。
從2018年起，又有格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡、位于法國的IRAM NOEMA天文臺和位于美國的基特峰國立天文臺加入后續(xù)研究和校準(zhǔn)工作。
另外，據(jù)中國科學(xué)院大學(xué)天文學(xué)教授茍利軍介紹，其實本次照片拍攝在2017年4月5日至14日之間就已經(jīng)完成。但由于此次視界面望遠(yuǎn)鏡跨越南北半球，所涉站點區(qū)域非常廣闊，因此要處理的數(shù)據(jù)量也異常龐大。
他透露，視界面望遠(yuǎn)鏡每一個晚上所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達(dá)2 PB (1 PB=1000 TB=1000000 GB)，“和歐洲大型質(zhì)子對撞機一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量差不多“。因此，黑洞的“洗照片”過程一直延續(xù)至今，直到今晚照片才公之于眾。
讓我們?yōu)檫@些望遠(yuǎn)鏡寶寶和背后無數(shù)的科學(xué)家們鼓掌！感謝他們和它們的努力，讓我們成為首批看到黑洞真容的碳基生物！
