黑洞是什么？
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人类历史首张黑洞照片发布，爱因斯坦又说对了，诺奖得主Kip Thorne第一时间评价……
人 类 首 张 黑 洞 照 片
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全球六地同步发布首张黑洞照片
北京时间4月10日21点整，比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等全球六地同步召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。在上海，EHT项目和中国科学院共同发布这一重大成果。
央视新闻直播截图
EHT项目，是由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划，通过“甚长基线干涉技术”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜，用于黑洞探测。理论上，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。
澎湃新闻直播截图
此前，天文学家都是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在，而EHT项目则是通过这个拥有地球直径的“虚拟望远镜”直接观测到了黑洞边缘的图像。专家称，人类首张黑洞照片的问世，对研究黑洞具有重要意义。
模拟图片
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关于史上第一张黑洞照片，
诺奖得主Kip Thorne这么说
这张图揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。
给黑洞拍照究竟是拍什么？
因为黑洞自身不发光，我们并不能看见它的本体，所以这张照片其实拍的是黑洞的“阴影”。由于尘埃和气体等物质向黑洞旋转下落时会因剧烈摩擦而“发光”，同时释放出地球能探测到的能量，所以我们可以借此勾勒出黑洞的外部轮廓。一旦跨过这条轮廓线（界限），任何物质和信息都不能回头。这条“死亡界限”被称为“事件视界”（event horizon），正是EHT所要拍摄的对象。
给黑洞“拍照”有多困难？
打个比方，就像站在地球上观看月球上的一个橙子一样，科学家们为此努力了20多年。
为什么要给黑洞拍照？这张照片意味着什么？
爱因斯坦的广义相对论已预测过黑洞“阴影”的大小和属性，而这张图确认了广义相对论的正确，这个过程本身将帮助我们加深对其理论本质的理解。
EHT董事会成员贺曾朴评论道：“一旦我们成功对黑洞阴影成像，就可以将观测结果与理论预言相比较，检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是，我们所观测到图像的许多特征与理论预言相一致。这使得我们对观测的理论解释，包括对黑洞质量的测量，都充满信心。”
图源：上海天文台&中科院发布会
未来还有哪些期待？
关于这次发现，腾讯WE大会也特别邀请诺贝尔物理学奖得主、去年腾讯WE大会嘉宾Kip Thorne点评。Kip Thorne 联合创建的引力波天文台LIGO于2015年9月首次直接探测到引力波，“听”到了两个黑洞的并合之声。此前，他曾担任电影《星际穿越》的科学顾问，与特效团队用一年多时间打造的黑洞“卡冈都亚”，是史上第一个依据爱因斯坦广义相对论制作的最接近真实的黑洞影像。
谈及对未来黑洞发现的期待，Kip Thorne说：
“未来我们可能会获得关于黑洞更多重要的细节，甚至有意想不到的发现，特别是来自引力波的发现。
“自LIGO在2015年9月第一次直接探测到引力波以来，目前一共观测到了11次黑洞并合产生的引力波。今年4月，LIGO和Virgo在升级后重新开始运行，大幅提升了精度和灵敏度。我们预计在未来10年左右的时间里，随着探测器不断改进，还将探测到越来越多的黑洞碰撞，得知黑洞更多细节，甚至可能发现更奇特和极端的引力波事件——黑洞吞噬中子星。
“400年前，伽利略制造了第一架天文望远镜，发现了木星的四大卫星。电磁波给我们的生活和对宇宙的认知带来了巨大的变化。在下个400年里，电磁波和引力波两相结合，又将如何变革我们对于宇宙的理解，可能会超乎我们的想象。”
这次公布的照片只是EHT项目的一个首秀，后续还将有更多工作进行。天文学家希望借此实际看到黑洞视界附近究竟是何种情形，以及在这个宇宙中最强引力场的极端环境中检验爱因斯坦的广义相对论是否成立。此外，黑洞图像也将帮助我们解决一些基础科学问题，比如黑洞壮观的喷流是如何产生并影响星系演化的。
模拟黑洞喷流（图源：EHT视频截图）
以下是关于这次发现，你可能还需要知道的一些背景知识——
EHT是什么？
“事件视界望远镜”EHT不是一个单一的望远镜，而是由全球各地多个射电天文台联合组成的“虚拟”望远镜，其口径几乎等于地球直径，分辨率相当于能够从伦敦看到纽约的一颗图钉。只有如此大规模和高分辨率的望远镜网络才有可能捕获到遥远黑洞比较清晰的照片。
EHT是第一个专为获取黑洞影像的实验计划。这一国际合作项目由来自全球30多个研究所200多位科研人员共同达成，其中也有中国的一些科研院所，包括中科院多家研究所和天文台、国科大、华科大、南大、中大、北大、中科大和台大等单位。中科院和科技部也为EHT提供了部分经费支持。
为什么选择M87星系黑洞和银河系中心黑洞Sgr A *拍照？
EHT此次的观测目标是银河系中心黑洞Sgr A*和射电星系M87中心黑洞。这两个黑洞的视界面从地球上看是最大的。其他黑洞要么距离更远，要么质量不够大（视界面大小与质量成正比），以现有的技术手段来说，观测起来会更难。
Sgr A*位于银河系中心，质量是太阳的400万倍，视界面约2400万公里，大概有17个太阳那么大。但它离我们实在太远了（约2.6万光年），因此从地球上看它的视界面也只有针尖大，要给它的视界面照相，相当于在纽约给洛杉矶的高尔夫球上的一个个小坑洞计数。
M87星系黑洞更远（约5000-6000万光年），但因为它的质量大得多，是太阳的65亿倍，所以它的视界面在我们看来可能跟Sgr A*差不多（甚至还要稍微大一些），喷流也比Sgr A*更剧烈。
本次公布的照片来自M87星系黑洞，期待在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。
EHT 是怎么拍的？
参与本次观测的有8个射电望远镜阵列，分布于南极、欧洲、南美洲、非洲和北美。它们分别是：南极望远镜（SPT），智利阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）和探路者实验望远镜（APEX），墨西哥大型毫米波望远镜（LMT），美国亚利桑那州亚毫米波望远镜（SMT），夏威夷麦克斯韦望远镜（JCMT）和亚毫米波望远镜（SMA），以及西班牙毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜（IRAM 30m）。
图源：EHT
为了增强空间分辨率以看清细小的区域，需要使用一种“干涉”观测技术（VLBI），即利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测，然后将收集到的无线电信号数据进行相关性分析并合并，最后计算出黑洞事件视界的图像。限于8个望远镜的协调排期，联合观测的窗口期一年只有10天左右，而如果遇到下雨，观测效果会大打折扣，因此机会非常珍贵。
2017年4月5日到14日之间，EHT进行了一次联合观测，并在去年又做了一些观测，前后进行了近两年繁琐的数据处理工作。今天，EHT正式公布史上第一张真实的黑洞照片。《天体物理学杂志通信》也以特刊的形式，通过6篇论文发表了有关黑洞图像的这一重大结果。
来源：腾讯WE大会
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戳视频了解！
探
知
黑
洞
人类的首张黑洞照片，是由全球8个望远镜共同拍摄。而背后则是全球30多家科研院所的科学家们的共同努力。
2017年的4月5日到14日之间，科学家们进行了“地球级”观测计划，他们利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列，组成一个虚拟望远镜网络，目标是银河系中心的巨大黑洞——人马座A*的视界面。
人马座A*。
这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope， EHT）。这个名词有点拗口：“事件视界”，或者被翻译成“视界面”，是什么意思？
当年，爱因斯坦提出，引力可视为时空扭曲。他的方程预言，当一个物体的质量不断塌缩，就能隐蔽在事件视界（event horizon) 之内——这个界限内，其引力强大到连光都无法逃脱。
这就是“黑洞”。
连光线都无法逃脱，我们如何看到“黑洞”？
事实上，当黑洞“吞食”其他天体时，吸入的物质在掉入视界面前会产生一个围绕黑洞旋转的吸积盘。当气体朝着黑洞落下被加热到数十亿度高温时，会发出强烈的辐射，会让事件视界看起来像“剪影”。
补充阅读
理论上，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。
它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界（event horizon）。
宇宙中，根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍-上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。
致密天体根据质量的分类，图片来源：NASA
为什么要研究黑洞？
黑洞就在宇宙中，等着我们去研究。列举几个有意思的理由：
第一，在我们居住的银河系中心就有一个超大质量黑洞，它的质量大约400多万倍太阳质量。
第二，大家可能会问，这颗超大质量黑洞会影响我们的生活吗？
第三，银河系中除了这个超大质量黑洞外，还有很多恒星级黑洞，它们和我们有关系吗？
第四，黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系，这是我们非常关心的领域。黑洞自身有一堆秘密，让人着迷。
真的有黑洞吗？
黑洞的名字，乍一听，黑的洞，那是不是表明没法看见；如果没法看见，那怎么就知道它存在呢？
在这次拍照前，天文学家们是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在，主要有三类代表性证据。
第一，恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。
第二，根据黑洞吸积物质（吃东西）发出的光来判断黑洞的存在。
第三，通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。
还有很多类似的证据，无不说明了黑洞真实存在。
但这还是间接的，我们想直接“看”到黑洞。
为什么要给黑洞拍照？
对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。
黑洞是具有强引力的，因此给黑洞拍照，最重要的目的是在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相对论，并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。
给黑洞拍照，是要拍一张怎样的照片呢？
广义相对论预言，由于黑洞的存在，我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影（shadow），其周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环，由于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同，光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径（注：史瓦西半径指没有自旋的黑洞的事件视界半径）。
什么样的黑洞适合拍照？
黑洞阴影和周围环绕的新月般光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞的照片，毫无疑问，我们希望找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为对象。
由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也就意味着质量越大，其事件视界越大，因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞SgrA* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个目前已知最优的候选体。
银河系中心黑洞的史瓦西半径约为10微角秒，其黑洞阴影的角直径大小相应为47-50微角秒,这相当于一个苹果在月球上的角直径大小（月球的角直径是30角分）。M87中心的超大质量黑洞（M87*）的黑洞阴影看起来要比银心的黑洞阴影略小，约为37-40微角秒。
什么样的望远镜可以对黑洞成像？
要对黑洞成像，必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而能保证看得到和看得清。满足这些条件，最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）技术（值得一提的是，该VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位）。假定在1毫米波长观测，一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的分辨本领。
但大家可千万别以为，只要VLBI阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。因为，情况没那么简单。如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。
黑洞真容和你想的一样吗？
来源：中国青年报、羊城晚报、中国新闻网、央视新闻、深圳商报、腾讯WE大会
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