4月10日21點(diǎn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項(xiàng)目主任謝潑德.多爾曼在中國(guó)上海向全球宣布。
據(jù)介紹，此次發(fā)布的黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系 M87中心的黑洞，其距離地球 5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的 65 億倍。該圖像的許多特征與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言完全相一致，在強(qiáng)引力極端環(huán)境下進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。
黑洞是什么？
自上世紀(jì)中期開(kāi)始，人們對(duì)黑洞的探秘就從未停止過(guò)。
200多年前，英國(guó)的米歇爾和法國(guó)的拉普拉斯就曾提出： 一個(gè)質(zhì)量足夠大但體積足夠小的恒星會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力，以致連光線都不能從其表面逃走，因此這顆星是完全“黑”的，但這一推論隨后被人遺忘。
1915年愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論不久，德國(guó)數(shù)學(xué)家史瓦西得到了靜態(tài)球?qū)ΨQ情況下愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)解，解在一個(gè)特殊半徑（后稱史瓦西半徑）處存在奇異性。
1939年美國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W本海默等也證明確實(shí)存在一個(gè)時(shí)間-空間區(qū)域，光也不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。這一區(qū)域的邊界稱為視界，在靜態(tài)球?qū)ΨQ情況下，視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小于史瓦西半徑，那么該天體就應(yīng)該是“黑”的，無(wú)法被我們看到。
科學(xué)家們把這些引力極強(qiáng)而又“看不到”的特殊天體稱為“黑洞”。因此，黑洞也是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一種產(chǎn)物。
黑洞如何形成：都是引力惹的禍
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陸由俊說(shuō)：“目前比較明確的是恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞是恒星塌縮的遺??；而大質(zhì)量黑洞則有可能由其它機(jī)制產(chǎn)生的中等質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)長(zhǎng)大而成?！?/p>
所有的恒星都是核聚變反應(yīng)爐，在其中，輕元素（主要是氫）聚合成重元素。核聚變過(guò)程提供了恒星一生的大部分能量。不過(guò)，最終，核燃料耗盡，由中心產(chǎn)生的能量再也無(wú)力對(duì)抗外殼巨大的重量，引力開(kāi)始起主宰作用。
根據(jù)相對(duì)論，沒(méi)有東西能行進(jìn)得比光還快。如果光都逃逸不出來(lái)，其他東西更不可能：所有東西都會(huì)被引力場(chǎng)拉回去。這樣，就出現(xiàn)了一個(gè)事件的集合或時(shí)空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者——我們將這一區(qū)域稱謂黑洞，將其邊界稱作事件視界。
如何確認(rèn)黑洞的存在
科學(xué)家們可以通過(guò)黑洞對(duì)周圍天體的影響來(lái)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(guò)月亮的繞行軌道和速度來(lái)間接推測(cè)地球的質(zhì)量。
其次，上文提到過(guò)吸積盤和噴流會(huì)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(huì)產(chǎn)生大量引力波，也是可探測(cè)的線索。
為什么要給黑洞拍照
沒(méi)有什么比照片更適合證明黑洞的存在。
科學(xué)家們給黑洞拍照的過(guò)程長(zhǎng)達(dá)兩年之久，為什么科學(xué)家們要這么執(zhí)著給黑洞拍照呢？科學(xué)界給黑洞拍照的念頭，至少存在了30年了。愛(ài)因斯坦在相對(duì)論中就曾經(jīng)預(yù)言過(guò)黑洞的存在，盡管科學(xué)界已經(jīng)普遍達(dá)成共識(shí)，但對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)，還是有著質(zhì)疑的聲音。怎樣更好的證明黑洞的確曾在？拍張照“有圖有真相”肯定最有說(shuō)服力。
然而，這張照片的拍攝難度可不是一般的大。黑洞離我們實(shí)在太遠(yuǎn)了，哪怕是“夠檔次”的天文望遠(yuǎn)鏡，分辨率依然不夠。科學(xué)家們估計(jì)，至少得地球那么大的天文望遠(yuǎn)鏡，才能達(dá)到給黑洞拍照的條件。
現(xiàn)有的單個(gè)望遠(yuǎn)鏡肯定是不夠了，咋辦？這一次給黑洞拍照，科學(xué)家們就想出了“化整為零”的方法，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了其它研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開(kāi)展了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，在全球多地布下了8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)。今天晚上大家看到的黑洞“真容”，就是望遠(yuǎn)鏡“8兄弟”齊心協(xié)力的結(jié)果。
什么樣的黑洞適合拍照
黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)是非常小的，在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞的照片，毫無(wú)疑問(wèn)，我們希望找到一個(gè)看起來(lái)直徑足夠大的黑洞作為對(duì)象。
由于黑洞事件時(shí)界的大小與其質(zhì)量成正比，這也就意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大，因此近鄰的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體，位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和近鄰射電星系M87*星系中心是兩個(gè)目前已知最優(yōu)的候選體。
黑洞的照片是怎么拍出來(lái)的？
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(huì)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(huì)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(huì)“打嗝”，一部分吸積氣體會(huì)沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向被拋射出去，形成噴流。
吸積盤和噴流都會(huì)因氣體摩擦而產(chǎn)生明亮的光線，以及其他頻段的輻射。
什么樣的望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)黑洞成像？
要對(duì)黑洞成像，必須保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而能保證看得到和看得清。滿足這些條件，最好的工具莫過(guò)于1967年出現(xiàn)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（值得一提的是，該VLBI技術(shù)也成功應(yīng)用于我國(guó)嫦娥探月工程的探測(cè)器的測(cè)定位）。假定在1毫米波長(zhǎng)探測(cè)，一個(gè)長(zhǎng)度為1萬(wàn)千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)。
這次拍到了哪個(gè)黑洞的照片？
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(jí)黑洞，是因?yàn)樗鼈兊囊暯鐝牡厍蛏峡醋銐虼蟆?/p>
長(zhǎng)久以來(lái)，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(dòng)，推測(cè)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(wàn)個(gè)太陽(yáng)，視界半徑約2400萬(wàn)公里。聽(tīng)起來(lái)足夠大，不過(guò)，鑒于銀河系中心黑洞遠(yuǎn)在2.5萬(wàn)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(yáng)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。
怎么拍出分辨率這么高的照片？
全球望遠(yuǎn)鏡組成陣列，聯(lián)合觀測(cè)，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(tái)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(guó)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?cè)?017年4月對(duì)兩個(gè)黑洞目標(biāo)進(jìn)行了聯(lián)合觀測(cè)。
從2018年起，又有格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡、位于法國(guó)的IRAM NOEMA天文臺(tái)和位于美國(guó)的基特峰國(guó)立天文臺(tái)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(guó)科學(xué)院下屬的上海天文臺(tái)、云南天文臺(tái)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(guó)科學(xué)院大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)等高校。這也是中國(guó)上海和臺(tái)北兩地聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會(huì)的原因。
只可遠(yuǎn)觀：會(huì)把人變成意大利面
盡管人們對(duì)黑洞的熱情高漲，但其只可遠(yuǎn)觀而不可接近，否則，后果很嚴(yán)重。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你和黑洞靠得太近，你就會(huì)就像意大利面一樣被拉長(zhǎng)。這一現(xiàn)象有個(gè)極富創(chuàng)意的名字“意大利面條效應(yīng)”。之所以會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)，是因?yàn)槿梭w各處受到的引力大小不同。
如果你兩腳朝下飛向黑洞，由于你的腳離黑洞更近，它受到的引力將比頭部受到的引力要大。更糟糕的是，由于胳膊并非位于身體中心，它們被拉長(zhǎng)的方向會(huì)與頭部的朝向稍有不同，你身體的邊緣部位會(huì)被拉進(jìn)身體里。最后的結(jié)果是，你的身體不僅被拉長(zhǎng)了，而且還變細(xì)了。因此，還沒(méi)等你（或其他物體）抵達(dá)黑洞中心，你就早早地變成了一根意大利面條。
被黑洞拉成意大利面條的宇航員