沈慧 經點科學
千呼萬喚，一直“活在傳說中”的黑洞現出“真身”了！
閒話少說，先上圖，一飽眼福。
第一張黑洞照片。事件視界望遠鏡合作組織提供。
第一印象，震撼，絢麗，還是其他？不管你怎樣，反正小編此刻的心情是熱血澎湃。
要知道，自1915年愛因斯坦在廣義相對論中預言黑洞這一天體的存在後，一百多年來無數科學家前赴後繼，只為一睹“芳容”。
而今天，我們有幸成為有史以來第一批“看見”黑洞照片的人類！
今晚9點，包括中國上海在內的全球多個地方同步公開了這張期待已久的黑洞照片，這標誌著人類獲得了超大黑洞的第一個直接視覺證據。
這是全球200多位科學家歷時兩年多、利用“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope， EHT）合力拍攝的首張黑洞照片。
該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系 M87中心的黑洞，該黑洞距離地球 5500 萬光年，質量為太陽的 65 億倍 。而這也意味著，愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證。
HST拍攝的M87，圖片版權：NASA
什麼是黑洞 ？
“事實印證，愛因斯坦是對的，他的廣義相對論還是經受住了考驗。”新聞發佈會現場，中科院上海天文臺臺長沈志強說。
仰望星空，1915年，天才物理學家愛因斯坦發表廣義相對論，提出了一個大膽的假設：宇宙中存在一種引力和密度都無限大的宇宙天體——黑洞。在它周圍一定區域內，有個連光線也無法逃離它的勢力範圍，這一勢力範圍叫作事件視界。
設想很大膽，求證很漫長。在相當長一段時期內，黑洞預言無法證實。諸多科學家，甚至包括愛因斯坦自己在內，也不相信黑洞真實存在。
時間一晃過去了幾十年。這一看不見、摸不著，卻長久以來存在於科學家們想象和推算中的神秘天體，究竟是否存在？
“據說事實有時候比小說更奇怪，黑洞最能真實地體現這一點，它比科幻作家夢想的任何東西都更奇怪”。霍金在著作《十問》中曾這樣寫道。
在好奇心的驅使下，上世紀60年代，又一波科學家們踏上了尋找黑洞的旅程。
遙遠宇宙中擁有巨大黑洞的類星體示意圖(圖片製作人：李兆聿。背景圖片來源於NASA/JPL-Calte
如何捕捉黑洞？
黑洞，顧名思義，黑黢黢的“洞”。既然黑得伸手看不見五指，又當如何捕捉？
中科院上海天文臺研究員路如森解釋，黑洞本身的確是不發光的，但是這種被極度壓縮的完全黑暗的天體，因為強引力的特性可以讓時空彎曲，併吞噬周圍的氣體。在此過程中，氣體的引力能轉化成熱能，氣體的溫度變得很高，進而發出強烈的輻射。而在這些明亮的氣體襯托下，黑洞會產生一個黑洞剪影，這一剪影就是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像。
“就像我們生病了去醫院做核磁共振ct一樣，這次人類拍攝的首張黑洞照片就是這麼得來的。”路如森打了個比方。
他說，剪影和發光的氣體之間會有一個分界，也就是事件視界，事件視界比黑洞陰影的尺寸小約 2.5 倍，大小約 400 億千米視界之內，我們無法看到，但對事件視界進行拍照，黑洞的樣子也就勾勒出來了。
一種理論模型預言的銀心的黑洞陰影以及周圍環繞的新月狀光環，圖片來源：路如森，上海天文臺
“黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域。 這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的，可我們以前從未見過。”事件視界望遠鏡 （EHT）科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說，“這個暗影的形成，源於光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質，也使得我們能夠測量 M87 中心黑洞的巨大質量。”
咬住青山不放鬆，多次獨立的 EHT 觀測通過多個校準以及不同的成像方法均揭示了一個環狀的結構及其中心的闇弱區域，即黑洞陰影。
“一旦我們成功對黑洞陰影成像，就可以將觀測結果與理論預言相比較，檢驗考慮了時空彎曲、超高溫及超強磁場等物理性質在內的大量模型。令人驚訝的是，我們所觀測到圖像的許多特徵與理論預言相一致。”EHT 董事會成員賀曾樸評論道，“這使得我們對觀測的理論解釋，包括對黑洞質量的測量，都充滿信心。”
拍照有多難？
臺上一分鐘，臺下十年功。
欲睹“芳容”，全世界科學家們翹首以待了上百年。為何？給黑洞“拍照”，其難易程度好比詩人李白當年的那句感嘆——“蜀道之難難於上青天”。
不過，困難阻擋不住人類探索的腳步。為揭開黑洞神秘面紗，2017年，一項雄心勃勃的黑洞觀測計劃——“事件視界望遠鏡”計劃正式啟動。
根據計劃，全世界200多位科學家們組成空前龐大的“戰鬥陣營”，利用全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡及其陣列，組成一個虛擬的望遠鏡網絡，即“事件視界望遠鏡”（EHT），同時對黑洞展開觀測。
這些望遠鏡分別是：ALMA、APEX、IRAM 30米望遠鏡、James Clerk Maxwell望遠鏡、大毫米波望遠鏡(LMT)、亞毫米波陣(SMA)、亞毫米波望遠鏡(SMT)和南極望遠鏡(SPT)。
2017年4月份參加EHT觀測的8個臺站，實線連接的為觀測M87的7個臺站，虛線連接的為觀測一個校準
何以如此興師動眾？因為，黑洞距離我們太過遙遠，無論哪一個望遠鏡都只能望洋興嘆。“形象點說，望遠鏡若想看到黑洞的事件視界，好比我們人類站在地球去看月球上的一個橙子。困難程度可想而知。”沈志強如是比喻。
可是話說回來，宇宙中黑洞數量眾多，為何偏偏選定黑洞M87？
“宇宙中，質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成3類：恆星級質量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介於兩者之間）。”根據沈志強的說法，超大質量黑洞是相當小的天體，以至於幾乎很難被直接看到。由於黑洞的尺寸正比於它的質量，黑洞質量越大，黑洞陰影越大。
“M87 中心的黑洞質量巨大，又相對接近我們，是地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為 EHT 的一個完美目標。 ”沈志強說。
兄弟齊心合力斷金。八兄弟牢牢鎖定黑洞M87這一目標，心往一處使，勁往一處用，撈回海量數據，最終為我們奉獻了一張絕美的黑洞大照。
“看見”有多幸運？
俗話說，有了“金剛鑽”，敢攬“瓷器活”。“事件視界望遠鏡”的分辨率可以達到多少？一般來說口徑越大分辨率越高。
沈志強說，要想看清楚黑洞視界面的細節，視界面望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。為此，EHT 觀測使用了甚長基線干涉測量(VLBI)技術,觀測波段是 1.3 毫米。世界各地的射電望遠鏡同步觀 測,同時利用地球自轉,形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡，達到的分辨率約 20 微角秒。
這一有些陌生的專業術語意味著什麼？路如森打了個比方：其分辨率足以在巴黎的一家路邊咖啡館閱讀紐約的報紙。
天文學家們在接受媒體採訪。經濟日報記者 沈慧 攝
理想很豐滿，現實很骨感。虛擬望遠鏡成功組合只是萬里長征走完了第一步。要知道，這些望遠鏡分佈在各種具有挑戰性的高海拔地區,包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。
沈志強說，在平原上由於信號弱不適合觀測，這些望遠鏡所在的地區大多是海拔三四千米的山區，空氣稀薄，若在上面連續觀測，對工作人員來說是項挑戰。
但是更大的挑戰則來自於天氣。因為只有這8個望遠鏡及其陣列同時順利觀測到黑洞，才能達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。而現實是，留給科學家們觀測的窗口期非常短暫，每年大約只有10天左右。
“從某種意義上來說，我們要感謝天氣，以夏威夷地區為例，去年有兩次觀察期，天氣出奇得好，特別給力，非常適合觀測。”沈志強說。
時光不負情深，最終我們如願以償看到了這張震撼人心的黑洞照片。這背後是眾多科學家們團結協作的結果。
而我國科學家在其中扮演了不可或缺的角色。參與此次事件視界望遠鏡大型的國際合作項目的科研人員達200名之多，其中，來自中國大陸的學者有16人，分別是來自上海天文臺8人，雲南天文臺1人，高能物理所1人，南京大學2人，北京大學2人，中國科學技術大學1人，華中科技大學1人。另外，還有部分來自中國臺灣地區的學者。
他們長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究，在事件視界望遠鏡（EHT）國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次EHT合作中，我國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、後期的數據處理和結果理論分析等方面做出了中國貢獻。
另外，在EHT全球聯合觀測的2017年3-5月期間，上海65米天馬望遠鏡和新疆南山25米射電望遠鏡參與了密集的毫米波VLBI協同觀測，為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。
上海天文臺內的天馬望遠鏡模型。經濟日報記者 沈慧 攝
“對 M87 中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點站,”沈志強說，“我們期望也相信在不久的將來EHT會有更多令人興奮的結果。”
“我們已經取得了上一代人認為不可能做到的事情”，哈佛大學教授謝潑德·多爾曼總結說，“技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創新的算法都匯聚到一起，打開了一個關於黑洞和事件視界的全新窗口。”
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記者：沈慧
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