人類歷史上首張黑洞照片今晚揭曉。北京時(shí)間4月10日21時(shí)，全球六地（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海、中國臺北、日本東京和美國華盛頓）將聯(lián)合召開新聞發(fā)布會，公布這一重大科學(xué)成果。
屆時(shí)，記者會在上海天文臺的新聞發(fā)布會現(xiàn)場帶來速遞。而讀者們在搬好小板凳坐等“吃瓜”的同時(shí)，不妨先快速預(yù)習(xí)一下與這項(xiàng)黑洞研究有關(guān)的背景資料。
電影星際穿越當(dāng)中的黑洞，周圍的亮環(huán)是由氣體構(gòu)成的吸積盤（圖片來源：電影《星際穿越》）
問：什么是黑洞？
答：根據(jù)愛因斯坦引力場方程的計(jì)算，如果大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，奇點(diǎn)周圍會形成時(shí)空扭曲的“視界”，一旦進(jìn)入這個(gè)界面，連光子也無法逃逸。
這個(gè)預(yù)測在1916年被提出來，不過，直到1967年，普林斯頓大學(xué)核物理學(xué)家約翰·惠勒才在一場講座里首次使用了“黑洞”（black hole）這個(gè)詞匯，并迅速流傳開來。
問：既然看不見，怎么拍黑洞的照片？
答：雖然科學(xué)家們看不到黑洞的本體，但可以一直追溯到光子消失的“視界”，這是我們能“看到”的極限。
黑洞周圍的確會存在一些發(fā)光的現(xiàn)象，比如黑洞在吃掉周圍的恒星時(shí)，會將恒星的氣體撕扯到身邊，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的吸積盤。黑洞有時(shí)候也會“打嗝”，一部分吸積氣體會沿轉(zhuǎn)動方向被拋射出去，形成噴流。
吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產(chǎn)生明亮的光線，以及其他頻段的輻射。
問：怎么尋找黑洞？
答：科學(xué)家們可以通過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在，尤其是它巨大的引力造成的時(shí)空扭曲，就像可以通過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質(zhì)量。
其次，上文提到過吸積盤和噴流會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，伴隨其他頻段的輻射。
最后，黑洞與其他天體或另一個(gè)黑洞的相互作用會產(chǎn)生大量引力波，也是可探測的線索。
問：有確認(rèn)存在的黑洞嗎？
答：有。人類探測到的第一例引力波信號，就是由雙黑洞并合產(chǎn)生的。
人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)強(qiáng)有力的黑洞候選天體是1964年發(fā)現(xiàn)的天鵝座X-1，距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個(gè)正在被它吃掉的“舞伴”，但伴星的質(zhì)量卻比它本身更加大，引發(fā)了廣泛的爭議，其身份長期懸而不決，霍金都為此打過賭（并輸?shù)袅耍??？茖W(xué)家們后來測得天鵝座X-1的質(zhì)量約為14.8個(gè)太陽，視界半徑300公里，應(yīng)該是一個(gè)“胃口”非常小的黑洞。
目前，科學(xué)家們更為關(guān)注的一類黑洞候選系統(tǒng)是軟X射線瞬變源。這類系統(tǒng)包含一個(gè)小質(zhì)量的舞伴，通常處于寧靜態(tài)，但會出現(xiàn)間歇性的X射線爆發(fā)現(xiàn)象，間隔時(shí)間從數(shù)月到數(shù)十年不等。間歇性爆發(fā)的時(shí)候，就是探測黑洞的好時(shí)機(jī)。
根據(jù)理論計(jì)算，銀河系中應(yīng)該存在上千萬個(gè)恒星量級的黑洞，現(xiàn)在得到確認(rèn)的只有20多個(gè)。
問：這次拍到了哪個(gè)黑洞的照片？
答：兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。一個(gè)是銀河系中心黑洞Sgr A*，一個(gè)位于室女座的M87星系中心。之所以選擇這兩個(gè)目標(biāo)，而不是銀河系中更近的恒星級黑洞，是因?yàn)樗鼈兊囊暯鐝牡厍蛏峡醋銐虼蟆?/p>
長久以來，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)幾千億顆恒星圍繞著銀河系中心轉(zhuǎn)動，推測出那里存在一個(gè)超大質(zhì)量的天體。根據(jù)計(jì)算，Sgr A*的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個(gè)太陽，視界半徑約2400萬公里。聽起來足夠大，不過，鑒于銀河系中心黑洞遠(yuǎn)在2.5萬光年（約24億億公里）之外，實(shí)際效果相當(dāng)于在地球上觀察一顆放在月球上的橙子，或者在北京看清上海一顆高爾夫球上的小坑。
M87中心的超大質(zhì)量黑洞則達(dá)到了66億倍太陽質(zhì)量，視界范圍大約是冥王星軌道的三倍。當(dāng)然，因?yàn)榫嚯x更遠(yuǎn)的緣故，M87中心黑洞在地球上看的實(shí)際效果與Sgr A*可能相差不大。
問：怎么拍出分辨率這么高的照片？
答：全球望遠(yuǎn)鏡組成陣列，聯(lián)合觀測，形成一個(gè)有效口徑等于地球直徑的大望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)虛擬的大望遠(yuǎn)鏡叫做“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT），由8臺望遠(yuǎn)鏡組成。分別是：南極望遠(yuǎn)鏡（South Pole Telescope）；位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA）；位于智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（Atacama Pathfinder Experiment）；墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（Large Millimeter Telescope）；位于美國亞利桑那州的（Submillimeter Telescope）；位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；位于夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Array）；位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡。它們在2017年4月對兩個(gè)黑洞目標(biāo)進(jìn)行了聯(lián)合觀測。
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)的研究和校準(zhǔn)工作。
全球一共60多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與了研究，其中包括中國科學(xué)院下屬的上海天文臺、云南天文臺等機(jī)構(gòu)，以及華中科技大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、臺灣大學(xué)等高校。這也是中國上海和臺北兩地聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會的原因。
問：2017年拍的照片，為什么現(xiàn)在才公布？
答：黑洞照片“拍”起來難，“洗”出來也難。虛擬的大望遠(yuǎn)鏡陣列并非直接拍出了黑洞的圖像，而是給出了許多數(shù)據(jù)，必須經(jīng)歷復(fù)雜的計(jì)算機(jī)處理過程。其中還有些缺失或模糊的部分，需要科學(xué)家們拼圖。
此外，在2017年4月的聯(lián)合觀測以后，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了一些數(shù)據(jù)收集和校準(zhǔn)的工作。
