怎样给黑洞拍照？
黑洞是什么？为什么要给黑洞拍照？什么样的望远镜可以对黑洞成像？给黑洞拍照难在哪里？……在备受瞩目的黑洞照片揭开神秘面纱之际，参与EHT项目的中科院上海天文台向媒体提供了一系列黑洞相关科普知识——
给黑洞拍照，是要拍一张怎样照片？天文学家期望拍一张怎样照片？
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)。
其中一种理论模型预言的银心的黑洞阴影以及周围环绕的新月状光环。图片来源：路如森/中科院上海天文台
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。黑洞具有强引力，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。
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非常非常小，在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞的照片，毫无疑问要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Sgr A* 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。
HST拍摄的M87，图片版权：NASA
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技术也成功应用于中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。
不过，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。
此次拍照使用的视界望远镜(EHT)是一台什么样的望远镜？
为了捕获第一张黑洞图像，全球超过200名科学家达成了EHT这一重大国际合作计划。EHT观测所利用的技术就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3mm，并且将有望扩展到更短的0.8mm。
EHT合作者们在2017年4月份到多个世界上最高、最偏僻的射电天文台，以一种爱因斯坦永远也不会想到的方式去检验广义相对论。参与此次观测的包括位于世界6个地点的8个台站(Atacama Pathfinder Experiment, APEX; Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array, ALMA; IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope, SPT; James Clark Maxwell Telescope, JCMT; Large Millimeter Telescope, LMT; Submillimter Array, SMA; Submillimeter Telescope, SMT)。其中，JCMT目前由东亚天文台负责运营，是中国大陆及台湾地区、韩国以及日本的共同合作项目。
2017年4月份参加EHT观测的8个台站，实线连接的为观测M87的7个台站，虚线连接的为观测一个校准源(3C279)的台站。图片来源：“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。
给黑洞拍照，难在哪里？
一是要选择合适的拍照对象——近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体；
二是要共同合作组成一个超级大望远镜——视界望远镜(EHT)：
三是必须在合适的观测波段——毫米波；
四是面对VLBI所记录的庞大数据量，进行复杂的数据后期处理和分析，获取最终的黑洞图像。
据介绍，2017年4月份的EHT观测中每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s， 8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据。天文学家打比方说，这么多数据如果是电影的话，至少要几百年才能看完。
来源：中国新闻网