大量天文觀(guān)測數據已證實(shí)，在浩瀚的宇宙當中，有無(wú)數的黑洞神秘地藏身于各星系中。
但人類(lèi)卻從未直接“看”到過(guò)黑洞，并不知道它的真實(shí)模樣。
為了能一睹黑洞真容，2017年4月5日到14日之間，來(lái)自全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家們啟動(dòng)了一項雄心勃勃的龐大觀(guān)測計劃。他們將分布于全球不同地區的8個(gè)射電望遠鏡陣列組成一個(gè)虛擬望遠鏡網(wǎng)絡(luò )，希望利用其捕獲黑洞影像。
最終，科學(xué)家們成功拍攝到了黑洞的第一幅“照片”。
北京時(shí)間2019年4月10日21時(shí)，這張照片在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時(shí)發(fā)布。傳說(shuō)中的黑洞終于揭開(kāi)神秘面紗。
人類(lèi)有史以來(lái)的第一張黑洞照片是如何拍攝的，記者為您揭秘整個(gè)過(guò)程。
認識黑洞
理論上，黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。它具有的超強引力使得光也無(wú)法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱(chēng)作黑洞的半徑或稱(chēng)作事件視界。
那么，黑洞是怎么形成的？
像宇宙萬(wàn)物一樣，恒星也會(huì )衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應燃料耗盡時(shí)，內核會(huì )急劇塌縮，所有物質(zhì)快速的向著(zhù)一個(gè)點(diǎn)坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點(diǎn)，并形成一個(gè)強大的力場(chǎng)漩渦，扭曲周?chē)鷷r(shí)空，成為黑洞。
宇宙中，根據質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類(lèi)：恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍—上百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。
根據理論推算，銀河系中應該存在著(zhù)上千萬(wàn)個(gè)恒星量級的黑洞。然而，因為黑洞自身不發(fā)射和反射電磁波，儀器和肉眼都無(wú)法之間觀(guān)測到它。
既然無(wú)法“看見(jiàn)”，那怎么就知道它存在呢？天文學(xué)家們主要是通過(guò)各種間接的證據。
沈臺長(cháng)：“主要有三類(lèi)代表性證據。一是恒星、氣體的運動(dòng)透漏了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周?chē)暮阈?、氣體會(huì )產(chǎn)生影響，于是我們可以通過(guò)觀(guān)測這種影響來(lái)確認黑洞的存在。二是根據黑洞吸積物質(zhì)，也就是吃東西時(shí)發(fā)出的光來(lái)判斷黑洞的存在。第三則是通過(guò)看到黑洞成長(cháng)的過(guò)程‘看’見(jiàn)黑洞?！?/p>
到目前為止，通過(guò)間接的觀(guān)測，科學(xué)家們在銀河系發(fā)現和確認了20多個(gè)恒星級質(zhì)量黑洞，但可能有上千萬(wàn)個(gè)恒星級黑洞候選體。
中國科學(xué)院上海天文臺研究員沈志強說(shuō)：“宇宙每個(gè)星系中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆，它的質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的400多萬(wàn)倍。除此之外，銀河系還有很多恒星級黑洞?！?/p>
這些神秘的黑洞和宇宙的誕生和演化有何關(guān)系？它和所在的星系之間又有什么關(guān)系？它又和我們人類(lèi)有什么關(guān)系，會(huì )不會(huì )對我們的生活產(chǎn)生影響？……
為了更準確清晰地解答這些問(wèn)題，科學(xué)家們想直接“看”到黑洞。
（視頻來(lái)源：中科院上海天文臺）
準備“相機”
廣義相對論預言，雖然黑洞本身不發(fā)光，但因為黑洞的存在，周?chē)鷷r(shí)空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過(guò)程中，引力能轉化為光和熱，因此氣體被加熱至數十億度。黑洞就像沉浸在一片類(lèi)似發(fā)光氣體的明亮區域內，事件視界看起來(lái)就像陰影，陰影周?chē)h(huán)繞著(zhù)一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月?tīng)畹墓猸h(huán)。
愛(ài)因斯坦的廣義相對論已預測過(guò)這個(gè)“陰影”的存在，以及它的大小和形狀。
科學(xué)家們期望這次能直接捕獲到這個(gè)黑洞“陰影”的圖像。
中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森說(shuō)：“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺(jué)’證據?！?/p>
路如森說(shuō)：“這就必須要保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節足夠小，從而能保證看得到和看得清?！?/p>
但滿(mǎn)足上述所有條件，望遠鏡的口徑需要像地球大小。
然而，目前地球上已有的單個(gè)望遠鏡最大口徑也只有500米。
那該怎么辦？
聰明的天文學(xué)家們想到了一個(gè)好辦法——搞強強聯(lián)合。
把地球上現有的一些望遠鏡“組合”起來(lái)，就能夠形成一個(gè)口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,其所達到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。
于是，全球超過(guò)200名科學(xué)家達成了“事件視界望遠鏡”（EHT）這一重大國際合作計劃，決定利用甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量技術(shù)。
沈志強說(shuō)：“就是利用多個(gè)位于不同地方的望遠鏡在同一時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合觀(guān)測，最后將數據進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當成熟?！?/p>
最終，科學(xué)家們選定了來(lái)自全球多地的包括南極望遠鏡等8個(gè)亞毫米射電望遠鏡。
路如森說(shuō)：“它們多數都是單一望遠鏡，比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡。也有望遠鏡陣列，比如ALMA望遠鏡是由70多個(gè)小望遠鏡構成?！?/p>
選定目標
在組建大型虛擬望遠鏡的同時(shí)，科學(xué)家們也在尋找著(zhù)合適的拍攝目標。
黑洞剪影和周?chē)h(huán)繞的新月般光環(huán)是非常非常小的。在拍照設備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個(gè)看起來(lái)角直徑足夠大的黑洞作為目標。
科學(xué)家們甄選了一圈之后，決定將近鄰的兩個(gè)黑洞作為主要目標：一個(gè)是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個(gè)則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。
沈志強說(shuō)：“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著(zhù)質(zhì)量越大，其事件視界越大。我們選定的這兩個(gè)黑洞質(zhì)量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來(lái)也是最大的，可以說(shuō)是目前最優(yōu)的成像候選體?！?/p>
盡管如此被選擇的兩個(gè)黑洞已是最優(yōu)成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。
Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，所對應的視界面尺寸約為2400萬(wàn)公里，相當于17個(gè)太陽(yáng)的大小。然而，地球與Sgr A*相距2萬(wàn)5千光年（約24億億公里）之遙。
沈志強說(shuō)：“這就意味著(zhù)，它巨大的視界面在我們看來(lái)，大概只有針尖那么小，就像我們站在地球上去觀(guān)看一枚放在月球表面的橙子?！?/p>
M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大，達到了60億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因質(zhì)量龐大，所以它的事件視界對科學(xué)家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大那么一點(diǎn)兒。
調試相機
要想看清楚兩個(gè)黑洞事件視界的細節，事件視界望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。
要多高呢？
路如森說(shuō)：“比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上?！?/p>
但也別以為，只要虛擬望遠鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。
實(shí)際情況并沒(méi)那么簡(jiǎn)單！如同觀(guān)看電視節目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行觀(guān)測至關(guān)重要。
此前的一系列研究表明，觀(guān)測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段是約為1毫米。
路如森說(shuō)：“因為氣體在這個(gè)波段的輻射最明亮，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球?！?/p>
在這種情況下，望遠鏡的分辨率取決于望遠鏡之間的距離，而非單個(gè)望遠鏡口徑的大小。
為了增加空間分辨率，以看清更為細小的區域，科學(xué)家們在此次進(jìn)行觀(guān)測的望遠鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠鏡。
沈志強說(shuō)：“這樣設置是為了要保證所有8個(gè)望遠鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，從而達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率?！?nbsp;
正式拍攝
8個(gè)望遠鏡北至西班牙，南至南極，它們將向選定的目標撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數據，為我們勾勒出黑洞的模樣。
留給科學(xué)家們的觀(guān)測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時(shí)間。對于2017年來(lái)說(shuō)，是在4月5日到4月14日之間。
除了觀(guān)測時(shí)間上的限制，拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。
“因為大氣中的水對這一觀(guān)測波段的影響極大，水會(huì )影響射電波的強度，這意味著(zhù)降水會(huì )干擾觀(guān)測?！?沈臺說(shuō)，“要想視界面望遠鏡順利觀(guān)測，需要所有望遠鏡所在地的天氣情況都非常好?！?/p>
按照要求，計劃選擇的8個(gè)望遠鏡所在之處均是位于海拔較高，降雨量極少，全部晴天的概率非常高。
此外，要成像成功還必須要求所有望遠鏡在時(shí)間上完全同步。
北京時(shí)間2017年4月4日，事件視界望遠鏡啟動(dòng)拍攝，將視線(xiàn)投向了宇宙。最后的觀(guān)測結束于美國東部時(shí)間4月11日。
觀(guān)測期間，每一個(gè)射電望遠鏡都收集并記錄來(lái)自于目標黑洞附近的射電波信號，這些數據然后被集成用于獲得事件視界的圖像。
沈志強說(shuō)：“為了確保信號的穩定性，事件視面望遠鏡利用原子鐘來(lái)確保望遠鏡收集并記錄信號在時(shí)間上同步?！?/p>
沖洗照片
給黑洞拍張照片不容易，“洗照片”更是耗時(shí)漫長(cháng)。
射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數據信息，用數據向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子。
在觀(guān)測結束之后，各個(gè)站點(diǎn)收集的數據將被匯集到兩個(gè)數據中心（分別位于美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所）。在那里，超級計算機通過(guò)回放硬盤(pán)記錄的數據，在補償無(wú)線(xiàn)電波抵達不同望遠鏡的時(shí)間差后將所有數據集成并進(jìn)行校準分析，從而產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于黑洞高分辨率影像。
此后，經(jīng)過(guò)長(cháng)達兩年的“沖洗”，2019年4月10，人類(lèi)歷史上首張黑洞照片終于問(wèn)世。
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