六問黑洞首秀

北京時(shí)間2019年4月10日，首張黑洞照片在全球200多位科學(xué)家的努力下新鮮出爐。不過，很多人看到照片后，依然對黑洞充滿好奇：為什么黑洞的照片那么模糊？給黑洞拍照有哪些困難？……對于這些疑問，科研人員都一一做出了回答。一起去看看吧！

1.黑洞照片是怎么拍出來的？

在過去的十多年間，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合其他研究機(jī)構(gòu)的科研人員開展了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，全球多地的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對黑洞展開觀測。

事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的數(shù)個(gè)亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成，它們向選定的目標(biāo)撒出一張大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。

由于亞毫米波段是我們無法直接用肉眼看到的，所以利用它給黑洞拍照，得到的實(shí)際上是黑洞周圍輻射的空間分布圖。

人們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片反映的是光學(xué)波段顏色或頻率不同的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點(diǎn)以后，就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。雖然是以單個(gè)頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測，但由于黑洞周圍不同區(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同，可以得到一張光子強(qiáng)度分布圖，然后假定不同的強(qiáng)度對應(yīng)不同的顏色，就能得到一幅“偽色圖”（黑洞照片中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的）。

2.黑洞照片為什么那么模糊？

與光學(xué)照片一樣，清晰度源于分辨率。要提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，既可降低觀測頻段光子的波長，又可增加望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。利用全球不同地方的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)，科學(xué)家們得到了一個(gè)口徑超大的望遠(yuǎn)鏡，并在相關(guān)技術(shù)相對成熟的射電波段內(nèi)，選擇了能量最高的毫米和亞毫米波段。

值得注意的是，有效口徑取決于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)中相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離。2017年，一系列亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡加入觀測。2018年，北極圈內(nèi)格陵蘭島的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡加入，使得基線長度增加，提高了分辨率。

雖然目前的基線已達(dá)到了1萬千米，但空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測的有限區(qū)域內(nèi)，就相當(dāng)于只有有限的幾個(gè)像素。

另外，影響觀測的因素不僅僅只是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié)，而高靈敏度則能讓我們看到更暗的天體。

在事件視界望遠(yuǎn)鏡的陣列中，位于南極的SPT望遠(yuǎn)鏡和位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列在增加基線長度及提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率方面起到了非常大的作用。如果未來能有更多的望遠(yuǎn)鏡加入這個(gè)陣列，我們就能探測到更弱的輻射區(qū)域，看到更多的細(xì)節(jié)，得到更加清晰的黑洞照片。

3. 事件視界望遠(yuǎn)鏡于2017年開始拍攝，為什么兩年后才得到照片？

首先，望遠(yuǎn)鏡觀測到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年，望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了10PB（1PB=1 024TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。

其次，在數(shù)據(jù)處理的過程中，科學(xué)家也遇到了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境中，其運(yùn)動有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學(xué)家們還專門開發(fā)了特定的程序和工具。

再次，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理時(shí)，科學(xué)家們在全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)是位于美國的麻省理工學(xué)院，另一個(gè)是位于德國的馬普射電所。二者彼此獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗(yàn)證和校對，保證了最終結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

4.黑洞照片的獲得有何意義？

黑洞照片除了直接確認(rèn)黑洞的存在，同時(shí)也通過模擬觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對論。在事件視界望遠(yuǎn)鏡的工作過程和數(shù)據(jù)分析過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，觀測到的黑洞陰影和相對論所預(yù)言的幾乎完全一致。

另外，科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量。在此之前，精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。

受限于觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來，隨著更多望遠(yuǎn)鏡的加入，將能看到黑洞周圍更多、更豐富的細(xì)節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制，完善人類對星系演化的認(rèn)知與理解。

5.“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照嗎？

在這之前，科學(xué)家們通過探測黑洞周圍的吸積盤或黑洞噴流產(chǎn)生的輻射間接地探測黑洞的存在。從理論上講，任何能產(chǎn)生輻射的黑洞都適合拍照，但受技術(shù)限制，只能選擇拍攝那些看起來非常大的黑洞，這樣才有可能看到黑洞周圍的細(xì)節(jié)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡此次觀測其實(shí)選定了兩個(gè)目標(biāo)：一個(gè)是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量為太陽的450萬倍，距離地球2.6萬光年;另一個(gè)是位于M87星系中心的黑洞，質(zhì)量為太陽的65億倍，距離地球5 300萬光年。這是目前已知的最大的兩個(gè)黑洞，而那些質(zhì)量只有幾十個(gè)太陽質(zhì)量的恒星級黑洞盡管距離相對較近，但是因?yàn)槠滟|(zhì)量過小等因素，很難被望遠(yuǎn)鏡捕捉。

6.中國科學(xué)家在“黑洞照相館”中發(fā)揮了什么作用？

中國大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒有直接參與事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測，最直接的原因在于中國大陸兩個(gè)建好的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡（一個(gè)是位于青海德令哈的13.7米望遠(yuǎn)鏡，另一個(gè)是位于西藏的CCOSMA望遠(yuǎn)鏡）不具備相關(guān)技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)功能。

廣為人知的中國FAST天眼望遠(yuǎn)鏡也沒有機(jī)會參與事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測。一是因?yàn)楣ぷ鞑ǘ尾贿m合，二是因?yàn)镕AST所處環(huán)境濕度較大。由于亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣吸收，所以事件視界望遠(yuǎn)鏡都位于海拔較高且環(huán)境干燥的地方，比如ALMA望遠(yuǎn)鏡就位于海拔5 000多米的沙漠中。

位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡是EHT聯(lián)合觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一，有中國科研機(jī)構(gòu)參與其中，為事件視界望遠(yuǎn)鏡提供了必不可少的觀測保障。部分中國科學(xué)家也參與了后期的數(shù)據(jù)分析和討論，為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻(xiàn)。（據(jù)人民網(wǎng)海外版、經(jīng)濟(jì)日報(bào)）