黑洞照片

美友15153152

一

中国科学院发布消息，人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布。目前，这张直接由望远镜拍到的黑洞照片已进入最后的“冲洗”中，其问世已进入倒计时。

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全球六地将同步发布首张黑洞照片

据介绍，北京时间4月10日21点整，比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等全球六地将同步召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。在上海，EHT项目和中国科学院将共同发布这一重大成果。

EHT项目，是由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划，通过“甚长基线干涉技术”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜，用于黑洞探测。理论上，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。此前，天文学家都是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在，而EHT项目则是通过这个拥有地球直径的“虚拟望远镜”直接观测到了黑洞边缘的图像。专家称，人类首张黑洞照片的问世，将对研究黑洞具有重要意义。

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第一张黑洞照片即将面世，

在此之前，

你也许对这些问题感兴趣：

黑洞是如何形成的？

黑洞到底有多黑？

科学家是如何拍到黑洞的？

戳视频了解！

　先平复一下激动的心情，北京时间今天晚上21:00，首张黑洞照片即将面世！

　　是的，是首张，此前人类基本都是间接“看到”黑洞，这次则直接“拍”了下来！

　　这事到底有多大？

　　这么说吧，今晚全球六地同时召开新闻发布会（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京以及美国华盛顿），同步发布！这有可能是今年最重要的科学发现之一。

　　在上海，EHT项目和中国科学院将发布这一重大成果。

时间北京时间2019年4月10日21点整

地点

中国科学院上海天文台

　　黑洞是什么？宇宙中真的有黑洞吗？黑洞的照片会是什么样子？下面我们一一揭晓。

黑洞是什么？

　　自上世纪中期开始，人们对黑洞的探秘就从未停止过。

　　200多年前，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出：一个质量足够大但体积足够小的恒星会产生强大的引力，以致连光线都不能从其表面逃走，因此这颗星是完全“黑”的，但这一推论随后被人遗忘。

　　1915年爱因斯坦发表广义相对论不久，德国数学家史瓦西得到了静态球对称情况下爱因斯坦场方程的一个解，解在一个特殊半径（后称史瓦西半径）处存在奇异性。

M87星系中心的超大质量黑洞的模拟图像。中间的黑色区域是黑洞的剪影。| 图片来源：Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

　　1939年美国物理学家奥本海默等也证明确实存在一个时间-空间区域，光也不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。这一区域的边界称为视界，在静态球对称情况下，视界半径就是史瓦西半径。如果某天体的半径小于史瓦西半径，那么该天体就应该是“黑”的，无法被我们看到。

　　科学家们把这些引力极强而又“看不到”的特殊天体称为“黑洞”。因此，黑洞也是爱因斯坦广义相对论预言的一种产物。

宇宙中的黑洞是怎么被发现的？

　　他们发现在一些被X射线望远镜发现的双星（由一个致密星和另一个正常恒星组成）中，致密星的质量比中子星的质量上限（约为3倍太阳质量）还大，但半径却差不多，因此认为这些引力极强的致密星只能是黑洞。

　　目前在银河系中已发现20多个黑洞X射线双星，它们的黑洞质量大约是太阳质量的5到20倍。

黑洞剪影的模拟图像：广义相对论预言剪影是圆形的（中），其他理论则预言了不同的形状（左、右）。| 图片来源：D. Psaltis and A. Broderick

　　最近几年，地面激光干涉引力波天文台(LIGO) 已宣布已探测到11对双黑洞并合产生的引力波，这些黑洞的质量都是几十个太阳质量。

　　天文学家通常把这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞叫恒星级黑洞。

　　二次世界大战后，雷达技术广泛用于射电天文，许多宇宙射电源被发现。这些射电源的光学像有的看起来很像恒星，但光谱观测显示它们本质上不是恒星，而是谱线有巨大红移的银河系外遥远天体。

　　这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高成千上万倍的能量，其发光原理不能用核反应来解释。

　　科学家们认为类星体的能源来自于其中心质量极大的黑洞吸积周围物质所释放出的巨大引力能↓

类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图 | 图片来源：NASA/Goddard Space Flight Center

　　后来的观测表明像我们银河系这样的正常星系中心也存在质量在百万太阳质量以上的黑洞，只是因为这些正常星系中心的黑洞周围没有多少可供吞噬的物质，所以其表现不如类星体河系外遥远天体。

　　这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高成千上万倍的能量，其发光原理不能用核反应来解释。

　　科学家们认为类星体的能源来自于其中心质

恒星级黑洞系统示意图 | 图片来源：http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

　　对质量为几十个太阳质量的银河系内恒星级黑洞而言，史瓦西半径只有几十公里，而这些黑洞距离我们都有上万光年（1光年约为9.5万亿公里）之遥，事件视界的大小相对于距离实在太小了，所以完全无法探测。最可能对其事件视界直接成像的黑洞是离我们很近的两个超大质量黑洞，即人马座方向银河系中心和室女座方向射电星系M87中心的黑洞。

　　银河系中心黑洞Sgr A*质量约为4百万太阳质量，距离我们2.5万光年，事件视界半径约1.2千万公里。射电星系M87中心黑洞质量为60亿太阳质量，距离我们5千万光年，事件视界半径约180亿公里。

　　要对这两个超大质量黑洞的事件视界附近照像，望远镜的分辨率需要达到十个微角秒（一微角秒为百万分之一角秒）左右，这相当于要分辨出月亮上的一个乒乓球，对于人类是一个极大的挑战！著名的哈勃空间望远镜的分辨率也只有0.05角秒。

　　但天文学家还是想出了办法，他们利用分布在全球几大洲的8个毫米波望远镜组成干涉阵列（即事件视界望远镜EHT），阵列的基线长度和地球大小相当，角分辨率可达几十微角秒，因此具备对银河系中心黑洞和射电星系M87中心黑洞视界面附近区域进行成像的能力。

　　那么，事件视界望远镜拍摄的黑洞照片究竟会是什么样子呢？

望远镜在全球分布示意图，红点代表望远镜所在地丨图片来源：http://m.sohu.com/a/133852929_376569

　　首先，黑洞自身是不发光的，我们看到的发光实际都来自于事件视界外面的物质，并不来自于黑洞本身，但黑洞的存在会在照片上留下“阴影”。其次，由于黑洞强引力导致的相对论效应，如光线弯曲、引力红移等，会导致黑洞周围物质发光的不对称和扭曲。

　　此外，事件视界外面的“环境”并不完全干净，尘埃、气体、磁场、喷流等因素都会对事件视界外物质的发光产生影响。而且，事件视界望远镜的分辨率毕竟还是有限的，图像的测量和重构过程也很复杂。

事件视界望远镜(EHT)团队模拟的黑洞附近照片及其测量和重构过程 | 图片来源：https://eventhorizontelescope.org/science

　　因此，尽管我们对事件视界望远镜拍摄的首张黑洞照片非常期待，

二

　北京时间4月10日21时，全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）将召开新闻发布会，发布首张黑洞照片。根据资料显示，黑洞照片的“冲洗”用了约两年时间。

　　此前，对于黑洞长什么样，人们总是有着这样那样的幻想↓↓↓

△艺术家描绘黑洞图片（图 / 视觉中国）

△伴有吸积盘的黑洞模拟图（图 / 视觉中国）

　　什么是黑洞？黑洞是怎样形成的？连光子都无法逃离的黑洞，科学家是如何让它现形的？一起来看！

三

　天文学家捕获首张黑洞照片！“事件视界望远镜”项目10日在全球多地同时召开新闻发布会，发布他们第一次拍到的黑洞照片。

图片来源：事件视界望远镜合作组织

　　据介绍，此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，其距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致，在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像，人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。

　　事件视界望远镜项目合作由13个合作机构组成，中国科学院天文大科学中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中国科学院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立，其中上海天文台牵头组织协调国内学者参与了此次合作。

四

北京时间12日晚，在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上，天文学家向人们展示了位于我们银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。

这一成果给出了该天体就是黑洞的实证，为理解这种被认为居于大多数星系中心的“巨兽”的行为提供了宝贵的线索。该照片由事件视界望远镜(EHT)合作组织这个国际研究团队，通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。

这是一张期待已久的关于我们银河系中心的大质量天体的真面目肖像。科学家之前已观测到众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的和质量极大的天体作轨道运动。这已强烈暗示这个被称作人马座A*(Sagittarius A*：Sgr A*)的天体是一个黑洞，而今天发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。

银河系中心黑洞的首张照片。EHT合作组织 提供

　　

因为黑洞不发光，所以我们看不见黑洞自身，但绕转的发光气体给出了其存在的信号：一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域(称之为阴影)。照片上显现出的(射电)光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致，这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。

　　

“我们惊叹于环的大小与爱因斯坦广义相对论预测结果出奇一致，”来自天文与天体物理研究所的EHT项目科学家Geoffrey Bower说，“这些前所未有的观测极大地提升了我们对银河系中心所发生一切的认识，并为了解超大质量黑洞如何与周围环境相互作用提供了全新视角”。EHT团队的研究成果今天以特刊的形式发表在《天体物理学杂志通信》。

　　

因为银河系中心黑洞距离地球有二万七千光年之遥，所以它的大小看上去与从地球上看38万千米远月亮上的甜甜圈大小差不多。为了给它拍这张照片，研究团队创建了观测利器EHT，由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜。EHT对Sgr A*开展了多个晚上的观测，每次连续采集了好几个小时的数据，就如同相机的长时间曝光。

　　

这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片，捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞(M87*)之后的又一重大突破。

　　

尽管我们银河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍，也轻了1500多倍，但两个黑洞看起来格外相似。“它们来自两种不同类型的星系，且具有极不相同的黑洞质量，但当我们聚焦在这些黑洞的边缘时，它们看起来神奇的相似，”来自阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席Sera Markoff教授说，“这告诉我们靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配，我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的”。

　　

尽管Sgr A*离我们更近，这项成果的得来却比M87*艰难得多。来自斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan解释道：“黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着Sgr A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周时间，但对于相对小很多的Sgr A*来说，几分钟内气体即可绕转一周。这意味着就在EHT观测Sgr A*之时，该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片”。

　　

研究人员不得不开发新的复杂的工具来考虑围绕Sgr A*的气体运动。为M87*这种稳定和几乎所有图案都相同的目标成像相对容易，对于Sgr A*就完全不一样了。Sgr A*的黑洞照片是研究团队提取出的不同照片平均后的效果，最终得以第一次将隐藏在我们银河系中心的“巨兽”呈现出来。

　　

这集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员组成的EHT合作组织的奇思妙想才得以实现。除了开发复杂的工具来克服Sgr A*成像面临的挑战外，研究团队花了五年时间，用超级计算机合成和分析数据，编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。

　　

来自上海天文台的EHT合作成员路如森说：“确实，对银河系中心黑洞首次成像观测的数据分析耗费了EHT合作团队的巨大心血。”另一位来自上海天文台的EHT合作成员江悟补充道：“研究团队遍历了极大的成像参数空间，才得以确定这张黑洞照片。”

　　

科学家对最终获得两个不同大小黑洞的照片尤其兴奋，这为他们的对照研究提供了条件。他们已经开始用这些新的数据来检验超大质量黑洞周围气体行为的相关理论和模型。目前这个过程尚不完全清楚但被认为对星系的形成和演化起了关键作用。

　　

“现在我们能就这两个超大质量黑洞的差异展开研究，以获取对理解这个重要过程有价值的新线索，”来自天文与天体物理研究所的EHT科学家Keiichi Asada表示。该科学家说，“我们已有了两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片，相比过去，我们将可以进一步更深入地检验极端环境下的引力”。

　　

EHT并未停止观测研究的脚步：就在今年3月份刚完成了有更多望远镜参与的联合观测。EHT的持续扩展和技术革新将使得科学家可以分享更引人注目的照片，包括在不久的将来的黑洞“电影”。

　　

“拍摄这样一部银河系中心黑洞的‘电影’，是下一代EHT的追求。”来自上海天文台的EHT合作国内协调人沈志强说。“我们正在规划建设中国的亚毫米波VLBI望远镜，以期参与到对Sgr A*的24小时不间断的接力观测中。”他说。