|· 本文來自“我是科學(xué)家”·|
北京時(shí)間 2019 年 4 月 10 日晚上21點(diǎn) ，人類歷史上的首張黑洞“靚照”在全球刷屏。
這張來之不易的照片，是由全球眾多研究團(tuán)隊(duì)共同合作，耗時(shí)兩年，從世界各地望遠(yuǎn)鏡獲得的海量數(shù)據(jù)中“沖洗”出來的。這項(xiàng)意義非凡的研究成果一經(jīng)公布，就立即在世界范圍引起了轟動(dòng)。
那么，這張黑洞照片和理論中的有何差別？為什么M87星系中的黑洞會(huì)最先被拍照？這張照片又有哪些重要意義……圍繞這些問題，我們采訪了領(lǐng)域內(nèi)的幾位科學(xué)家，請(qǐng)他們聊了聊自己的看法。
王爽：
有點(diǎn)出乎意料。原以為人馬座A*和M87*的照片會(huì)同時(shí)放出，而第1張是人馬座A*。照片本身倒是和理論預(yù)言符合得很好。
孫正凡：
剛剛公布的黑洞照片跟之前的預(yù)期還是有差別的，它只放出了M87的照片，另一個(gè)黑洞的照片還在處理中。此外，我們現(xiàn)在看到的黑洞照片比之前基普·索恩在《星際穿越》中描繪得更加詳細(xì)。這說明，現(xiàn)實(shí)的觀測比理論的預(yù)言帶給人們更多的驚喜，讓人們更加了解黑洞。
張帆：
M87中黑洞的這個(gè)圖像肉眼看上去和廣義相對(duì)論的預(yù)期幾乎是一樣的，陰影近似圓形；引力透鏡導(dǎo)致黑洞后面的吸積盤也可見；環(huán)繞黑洞運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)中向著我們地球方向運(yùn)動(dòng)的那部分所發(fā)射的信號(hào)和離我們遠(yuǎn)去的物質(zhì)發(fā)射的信號(hào)遭受的多普勒效應(yīng)相反，所以圖像不對(duì)稱。
茍利軍：
人馬座A*是在我們看來是最大的一個(gè)黑洞，另外一個(gè)相對(duì)比較大的就是M87星系的當(dāng)中的黑洞。這就相當(dāng)于我們把已有黑洞的大型的黑洞看了一遍，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)黑洞是其中最大的，于是就對(duì)它們進(jìn)行了拍照。
孫正凡：
目前只能選擇超大質(zhì)量黑洞作為拍照對(duì)象。雖然銀河系里有不少恒星級(jí)的黑洞，但是它們太小了，現(xiàn)階段并不適合作為觀測目標(biāo)。幸運(yùn)的是，在幾乎所有星系的中心都有超大質(zhì)量黑洞，它們適合作為拍照對(duì)象。
王爽：
對(duì)宇宙中所有的黑洞而言，人馬座A*和M87*的視張角是最大的。換言之，這是兩個(gè)從地球上看最大的黑洞。所以EHT會(huì)選擇觀測它們。
易疏序：
要挑選一個(gè)“看起來盡可能大的”目標(biāo)作為拍照對(duì)象。我們都知道“近大遠(yuǎn)小”，因此我們需要在“黑洞本身的大小”和“離我們的距離”這兩點(diǎn)間找到平衡。選來選去，銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*和附近一個(gè)星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞是最理想的。因?yàn)樗鼈兎浅４?，而且離得不算太遠(yuǎn)。
張帆：
黑洞本身不發(fā)光，我們只能看到其它東西掉到黑洞事件視界里面之前發(fā)出來的信號(hào)，所以黑洞在照片里面呈現(xiàn)的形態(tài)是個(gè)影子，我們必須把黑洞的臨近環(huán)境看得非常清晰這個(gè)影子才能凸顯出來（不要忘記宇宙背景本身也是黑的）。但是黑洞其實(shí)大小非常有限，一個(gè)和太陽質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙吹陌霃街挥腥铩６遥ㄐ疫\(yùn)的）我們附近也沒有已知黑洞，所以沒辦法，只能看較遠(yuǎn)地方的一個(gè)很小的東西。這就需要極高的角分辨率，把一點(diǎn)點(diǎn)角度尺度上的變化都看清楚。這就是為什么需要全世界多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡（射電信號(hào)不容易被夾在我們和星系中心間的塵埃遮擋）組成一個(gè)干涉陣列。
黑洞附近物質(zhì)所發(fā)射出來的信號(hào)在到達(dá)世界上不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間上稍有不同，而這種延遲的大小與信號(hào)方向和連接望遠(yuǎn)鏡間直線的夾角相關(guān)，通過干涉的方式這個(gè)延遲可以被放大成能讀取的信號(hào)，進(jìn)而我們可以非常精確地得知信號(hào)源的方向，獲得需要的角分辨率。延遲的大小當(dāng)然還和望遠(yuǎn)鏡間的距離成正比，所以望遠(yuǎn)鏡間離得越遠(yuǎn)越好（但是得在同一個(gè)半球，能同時(shí)觀測同一片天空）。
王爽：
黑洞本身不發(fā)光。所以要想為黑洞拍照，得拍黑洞吸積盤發(fā)出的光。難點(diǎn)就在于黑洞的視張角實(shí)在太小。就連視張角最大的這兩個(gè)黑洞，都只有區(qū)區(qū)幾十微角秒，相當(dāng)于從地球表面看一個(gè)月球上的乒乓球。
易疏序：
難度在于黑洞太小，太遠(yuǎn)了。盡管你可以任意放大一張照片，但如果你要拍攝的物體的像比一個(gè)像素還要小，那么無論如何放大照片都是沒有意義的。
所以要拍清楚黑洞就要求前所未有的非常高的分辨率。
由于量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，任何照片都有一個(gè)極限分辨率。相機(jī)的口徑越大，能達(dá)到的分辨率越高。同時(shí)觀測的電磁波波長越短，能達(dá)到的分辨率也越高。
基于上述原因，人們希望把望遠(yuǎn)鏡越建越大。但由于技術(shù)和資金的限制，單座望遠(yuǎn)鏡的大小受到限制?？茖W(xué)家們發(fā)明了一種技術(shù)，通過比較距離很遠(yuǎn)的幾臺(tái)望遠(yuǎn)鏡記錄的電磁波相位的差異，來反推天體的圖像（也就是基線干涉技術(shù)）。通過這個(gè)技術(shù)，若干臺(tái)相距幾公里的望遠(yuǎn)鏡可以聯(lián)合成一個(gè)陣列，相當(dāng)于一架口徑幾公里的望遠(yuǎn)鏡的分辨率。
為了比較各處電磁波的相位差異，這些望遠(yuǎn)鏡需要非常精確地同步他們的時(shí)鐘。觀測波長越短的電磁波（頻率越高）對(duì)時(shí)鐘同步的精度要求也就越高。因此這次的EHT拍攝的圖片不是在可見光波段，而是在波長更長的射電波段。當(dāng)然，觀眾們?cè)诿襟w上看到的圖片是轉(zhuǎn)換成可見光的圖片。為了保持望遠(yuǎn)鏡陣列的相干性，每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的形狀都要精確到微米級(jí)別，這對(duì)工程技術(shù)也提出了不小的挑戰(zhàn)。
王爽：
首先，提供了黑洞存在的直接證據(jù)。其次，提供了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)室，來檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和各種修改引力理論。再次，讓人們能更好的理解超大質(zhì)量黑洞的吸積和噴流。
張帆：
“看見”黑洞可以直接證明黑洞的存在，并檢驗(yàn)它是否符合廣義相對(duì)論的預(yù)期。相對(duì)論在弱引力條件（如太陽系內(nèi)的環(huán)境）下被非常精確的驗(yàn)證了，而之前引力波在強(qiáng)場環(huán)境中又檢驗(yàn)了一下，所以我并不期待有這方面的驚奇。但能夠以這種精度觀測黑洞周邊是非常有意思的，因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞附近應(yīng)該是很活躍的天文環(huán)境，可以用來學(xué)習(xí)研究很多復(fù)雜的天體物理過程。
易疏序：
現(xiàn)代意義上的黑洞已經(jīng)被預(yù)言了一百年了。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多，很確鑿的黑洞存在的證據(jù)。比如黑洞吞噬恒星時(shí)發(fā)出的光，黑洞碰撞時(shí)發(fā)出的引力波。但這些都是“間接證據(jù)”。盡管主流天文學(xué)家都相信黑洞一定存在，但按照大家普遍存在的心理：“無圖無真相”，“眼見為實(shí)”。真的看到黑洞核心區(qū)域，事件視界的剪影，無疑是最直接的黑洞存在的證據(jù)。這就好比人類幾千年前就通過各種證據(jù)知道地球是圓的，但是用人造衛(wèi)星給地球拍一張照片還是最直接的。
除了證明黑洞存在之外，人們還可以根據(jù)黑洞周圍發(fā)光氣體形態(tài)，推測出黑洞周圍時(shí)空的彎曲情況。這有助于人們了解引力理論，比如廣義相對(duì)論是否在如此強(qiáng)引力的地方還依然正確？就像人們說的“證實(shí)了愛因斯坦是對(duì)的，是一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)；發(fā)現(xiàn)愛因斯坦是錯(cuò)的，是另一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)”。
此外，黑洞的照片還有助于我們了解星系中心黑洞的質(zhì)量，自旋，吸積率，周圍環(huán)境和磁場，成長歷史，以及噴流是如何產(chǎn)生的等等天體物理問題。
易疏序：
未來這兩個(gè)黑洞的照片越來越清晰是肯定的。更多的望遠(yuǎn)鏡加入干涉陣列，以及更先進(jìn)的技術(shù)都會(huì)讓分辨率和靈敏度進(jìn)一步提高。至于不遠(yuǎn)的未來，能否能有更多黑洞的靚照（M87和人馬座A*以外），這個(gè)需要望遠(yuǎn)鏡分辨率的大幅提升?？赡苄枰玫浇裉爝€沒有發(fā)明出來的技術(shù)。
張帆：
要拍攝更清晰的“靚照”需要相互距離更遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，EHT 里面現(xiàn)在已經(jīng)基本上達(dá)到地球直徑了，要達(dá)到更遠(yuǎn)距離可以用上海天文臺(tái)葉叔華院士提議的太空射電望遠(yuǎn)鏡，或者干脆在月球背面造一個(gè)。當(dāng)然，數(shù)據(jù)傳輸、分析等等方面能力的增強(qiáng)和在更高一點(diǎn)的頻率上進(jìn)行觀測也會(huì)有很大幫助。
茍利軍：
我覺得有可能還是先局限在這兩個(gè)黑洞。但是隨著更多望遠(yuǎn)鏡的加入和靈敏度的進(jìn)一步提高，我們可能會(huì)獲得更多的細(xì)節(jié)。所以未來再觀測同樣的黑洞時(shí)，應(yīng)該會(huì)拍到更為清晰的照片。(采訪、編輯：Yuki，文字整理、排版：小爽）
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