|· 本文來(lái)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(lèi)歷史上的首張黑洞“靚照”在全球刷屏。
這張來(lái)之不易的照片，是由全球眾多研究團隊共同合作，耗時(shí)兩年，從世界各地望遠鏡獲得的海量數據中“沖洗”出來(lái)的。這項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(wèn)題，我們采訪(fǎng)了領(lǐng)域內的幾位科學(xué)家，請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言符合得很好。
孫正凡：
剛剛公布的黑洞照片跟之前的預期還是有差別的，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。這說(shuō)明，現實(shí)的觀(guān)測比理論的預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論的預期幾乎是一樣的，陰影近似圓形；引力透鏡導致黑洞后面的吸積盤(pán)也可見(jiàn)；環(huán)繞黑洞運動(dòng)的物質(zhì)中向著(zhù)我們地球方向運動(dòng)的那部分所發(fā)射的信號和離我們遠去的物質(zhì)發(fā)射的信號遭受的多普勒效應相反，所以圖像不對稱(chēng)。
茍利軍：
人馬座A*是在我們看來(lái)是最大的一個(gè)黑洞，另外一個(gè)相對比較大的就是M87星系的當中的黑洞。這就相當于我們把已有黑洞的大型的黑洞看了一遍，發(fā)現這兩個(gè)黑洞是其中最大的，于是就對它們進(jìn)行了拍照。
孫正凡：
目前只能選擇超大質(zhì)量黑洞作為拍照對象。雖然銀河系里有不少恒星級的黑洞，但是它們太小了，現階段并不適合作為觀(guān)測目標。幸運的是，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象。
王爽：
對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(guān)測它們。
易疏序：
要挑選一個(gè)“看起來(lái)盡可能大的”目標作為拍照對象。我們都知道“近大遠小”，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(lái)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。因為它們非常大，而且離得不算太遠。
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(lái)的信號，所以黑洞在照片里面呈現的形態(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(lái)（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(yáng)質(zhì)量相當的黑洞的半徑只有三公里。而且（幸運的）我們附近也沒(méi)有已知黑洞，所以沒(méi)辦法，只能看較遠地方的一個(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)射電望遠鏡（射電信號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(lái)的信號在到達世界上不同望遠鏡的時(shí)間上稍有不同，而這種延遲的大小與信號方向和連接望遠鏡間直線(xiàn)的夾角相關(guān)，通過(guò)干涉的方式這個(gè)延遲可以被放大成能讀取的信號，進(jìn)而我們可以非常精確地得知信號源的方向，獲得需要的角分辨率。延遲的大小當然還和望遠鏡間的距離成正比，所以望遠鏡間離得越遠越好（但是得在同一個(gè)半球，能同時(shí)觀(guān)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(pán)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，都只有區區幾十微角秒，相當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(wú)論如何放大照片都是沒(méi)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)的測不準原理，任何照片都有一個(gè)極限分辨率。相機的口徑越大，能達到的分辨率越高。同時(shí)觀(guān)測的電磁波波長(cháng)越短，能達到的分辨率也越高。
基于上述原因，人們希望把望遠鏡越建越大。但由于技術(shù)和資金的限制，單座望遠鏡的大小受到限制?？茖W(xué)家們發(fā)明了一種技術(shù)，通過(guò)比較距離很遠的幾臺望遠鏡記錄的電磁波相位的差異，來(lái)反推天體的圖像（也就是基線(xiàn)干涉技術(shù)）。通過(guò)這個(gè)技術(shù)，若干臺相距幾公里的望遠鏡可以聯(lián)合成一個(gè)陣列，相當于一架口徑幾公里的望遠鏡的分辨率。
為了比較各處電磁波的相位差異，這些望遠鏡需要非常精確地同步他們的時(shí)鐘。觀(guān)測波長(cháng)越短的電磁波（頻率越高）對時(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(jiàn)光波段，而是在波長(cháng)更長(cháng)的射電波段。當然，觀(guān)眾們在媒體上看到的圖片是轉換成可見(jiàn)光的圖片。為了保持望遠鏡陣列的相干性，每臺望遠鏡的形狀都要精確到微米級別，這對工程技術(shù)也提出了不小的挑戰。
王爽：
首先，提供了黑洞存在的直接證據。其次，提供了一個(gè)很好的實(shí)驗室，來(lái)檢驗廣義相對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(jiàn)”黑洞可以直接證明黑洞的存在，并檢驗它是否符合廣義相對論的預期。相對論在弱引力條件（如太陽(yáng)系內的環(huán)境）下被非常精確的驗證了，而之前引力波在強場(chǎng)環(huán)境中又檢驗了一下，所以我并不期待有這方面的驚奇。但能夠以這種精度觀(guān)測黑洞周邊是非常有意思的，因為超大質(zhì)量黑洞附近應該是很活躍的天文環(huán)境，可以用來(lái)學(xué)習研究很多復雜的天體物理過(guò)程。
易疏序：
現代意義上的黑洞已經(jīng)被預言了一百年了。天文學(xué)家發(fā)現了很多，很確鑿的黑洞存在的證據。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”。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(wú)圖無(wú)真相”，“眼見(jiàn)為實(shí)”。真的看到黑洞核心區域，事件視界的剪影，無(wú)疑是最直接的黑洞存在的證據。這就好比人類(lèi)幾千年前就通過(guò)各種證據知道地球是圓的，但是用人造衛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，人們還可以根據黑洞周?chē)l(fā)光氣體形態(tài)，推測出黑洞周?chē)鷷r(shí)空的彎曲情況。這有助于人們了解引力理論，比如廣義相對論是否在如此強引力的地方還依然正確？就像人們說(shuō)的“證實(shí)了愛(ài)因斯坦是對的，是一個(gè)諾貝爾獎；發(fā)現愛(ài)因斯坦是錯的，是另一個(gè)諾貝爾獎”。
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?chē)h(huán)境和磁場(chǎng)，成長(cháng)歷史，以及噴流是如何產(chǎn)生的等等天體物理問(wèn)題。
易疏序：
未來(lái)這兩個(gè)黑洞的照片越來(lái)越清晰是肯定的。更多的望遠鏡加入干涉陣列，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。至于不遠的未來(lái)，能否能有更多黑洞的靚照（M87和人馬座A*以外），這個(gè)需要望遠鏡分辨率的大幅提升?？赡苄枰玫浇裉爝€沒(méi)有發(fā)明出來(lái)的技術(shù)。
張帆：
要拍攝更清晰的“靚照”需要相互距離更遠的望遠鏡，EHT 里面現在已經(jīng)基本上達到地球直徑了，要達到更遠距離可以用上海天文臺葉叔華院士提議的太空射電望遠鏡，或者干脆在月球背面造一個(gè)。當然，數據傳輸、分析等等方面能力的增強和在更高一點(diǎn)的頻率上進(jìn)行觀(guān)測也會(huì )有很大幫助。
茍利軍：
我覺(jué)得有可能還是先局限在這兩個(gè)黑洞。但是隨著(zhù)更多望遠鏡的加入和靈敏度的進(jìn)一步提高，我們可能會(huì )獲得更多的細節。所以未來(lái)再觀(guān)測同樣的黑洞時(shí)，應該會(huì )拍到更為清晰的照片。(采訪(fǎng)、編輯：Yuki，文字整理、排版：小爽）
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