黑洞不发光啊，那人类是怎么拍到黑洞照片的？
▲ 刚刚公布的M87星云黑洞。图源 / 事件视界望远镜
- 图书君语 -
亿万年来，地球生命眼中所见的星辰
一直只有恒星、行星、卫星和彗星
今天，我们终于将视线延伸到宇宙深处
得以目睹黑洞真容
今天，你们应该都被开头这张黑洞的照片刷了屏。
黑洞，宇宙里最神秘也最迷人的天体之一。
在人类现有的认知里，它代表着死亡和永恒这样的终极问题。
黑洞，是恒星最壮烈的一种归宿。当恒星的燃料被核聚变消耗殆尽，它就走到了生命的尽头。
如果此时恒星的质量足够大，当它通过壮观的超新星爆炸结束生命后，剩下的残骸就会在无可抵挡的引力作用下，塌缩成宇宙中密度最大的天体——黑洞。
▲ 电脑模拟的黑洞外观。图源/User:Brandon Defrise Carter
巨大质量的残骸都被塞进了极小的空间之中，强大的引力甚至扭曲了时空，让周围的一切物质都没法逃脱黑洞的吞噬，连宇宙中跑得最快的光都逃不出这个囚笼。
这个连光都逃不出的区域边界，就叫做黑洞的视界。
这次新闻的主角，事件视界望远镜的名字，就由此而来。
▲ 艺术家笔下黑洞的概念图。周围环绕黑洞的盘状物质即为吸积盘、上方条状物为喷流。该图未考虑黑洞自身造成的重力透镜效应对影像的影响。图源/https://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/multimedia/pia16695.html
对黑洞的观测和研究都极为困难，连光都难以从黑洞中逃逸出来。
这次的黑洞照片，准确来说，不能算是“拍照”。
通常我们给物体拍照时，实际上是相机接受到了物体发射或者反射来的光线后成像。
但是这招在黑洞身上不管用。黑洞本身并不发光，也不反光，而是把视界以内的光线都吞掉了，所以黑洞根本不会传递光线给望远镜，它是“黑”的。
▲ M87星系中心超大质量黑洞模拟图。图源/Andrew Chael
不过，黑洞本身不会发光，但它周围会存在一些极具标识性的结构——大量气体形成旋转的气体盘。还有一部分物质磁场作用而被抛射出来，这就是黑洞的喷流。吸积盘和喷流都会释放出光信号。
所以今天的这张照片，拍摄的是视界外的物体在向黑洞坠落时，所最后发出的光芒。
▲ 银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”模拟图。最左边的图是纯粹的模拟，而后三张加上了光线被散射后的效果。图源/Astrophysical Journal
我们拍不到隐形的人，但我们能拍到隐形人穿的衣服。这些物体被吞噬前发出最后的闪光，成了黑洞身上披着的明亮轻纱。轻纱中央罩着黑洞的部分显得较黯淡，而轻纱的边缘则明亮很多，最终就形成了照片中那样的美丽剪影。
我们其实是通过光明来看到黑暗，通过黑洞在照片上的“缺席”来看到黑洞的“存在”。
实际上，给黑洞拍照最大的难点并不是它“黑”，而是黑洞实在是离我们太远了。
这次拍摄的黑洞距离地球真的太太太太遥远，室女A星系（M87）黑洞，离地球距离5500万光年。
光走1秒的距离，已经能绕地球7圈半，整个太阳系的半径，也就是1光年的几千分之一。
5500万光年这个尺度，已经无法用言语来形容。
▲ 活动星系M87，其中的条带状气流为喷流。图源/NASA and The Hubble Heritage Team(STScI/AURA)
室女A星系（M87）黑洞，几乎是从地球上最容易“看清”的黑洞了。它是位于星系核心的超大质量黑洞，比普通黑洞要大很多，质量约是太阳的65亿倍。再加上它的轨道周期长，星际气体的干扰小，所以最后的照片成像质量要更高一点。
但由于距离实在过于遥远，要看清它，不亚于在地球上用肉眼看月球上的一颗苹果。
为了实现这个高难度目标，科学家们用了一种叫做甚长基线干涉的技术，整合了世界各地的8个射电望远镜组。
▲ 位于智利阿塔卡马沙漠的ALMA望远镜阵列。图源/ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/W.Garnier(ALMA)
这些大大小小的望远镜，位于太平洋中的岛屿、墨西哥的火山、智利的沙漠、南极圈的冰雪上……
集合了全世界的力量，才创造出来这个覆盖口径等效于地球直径的天文望远镜阵列。
▲ 目前参与EHT计划的望远镜阵列在全球的分布情况。图源/https://eventhorizontelescope.org/array
这些望远镜，每年能够同时观测到目标黑洞的时间，也只有短短5个星期而已。
为了进行时间上的精确同步，甚至使用了原子钟，这个人类目前所能最精确的计算时间方法 。
在每个观测中心，科学家们用提前校对好的原子钟时间，对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘，等观测结束后，再使用大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析，这张黑洞照片，才被“计算”了出来。
这个计算，从2017年4月开始直到现在。换句话说，从望远镜“看”到黑洞，再到我们人类能看到黑洞，至少用了两年。
从爱因斯坦1915年提出广义相对论，到现在已经过去了100年。
这次观测到的室女A星系（M87）黑洞，位于银河系隔壁的室女座星系。跟以自转运动为主的螺旋星系，也就是我们所在的银河不同，室女座星系是椭圆星系，里面的恒星的运动是以不规则的运动为主。
也就是说，跟银河系，是完全不一样的风景。
▲ 在红外波段格外明亮的银心与银盘。图源/《中国国家地理少儿百科 宇宙》
人类现在连火星都到不了，更别说走出太阳系了。
而M87星系离地球，大概有千几亿个太阳系的距离。
这个距离，是我们穷极毕生，甚至可能直到人类灭绝，都无法跨越的距离。
所以这张黑洞照片，是全地球人一起，用望远镜跨越了银河系，跨越了几千亿个太阳系的距离。
到5500万年前的室女座A星系，看了一眼。
▲ 科学家推测银河系中心大概长这样。室女座星系的模样，比它更难以想象。图源：https://apod.nasa.gov/apod/ap040921.html
作者：
蔡一鸣，美国马里兰大学理论物理博士在读
赵越玖，中科院卡弗里理论科学研究所博士在读，理论物理学爱好者
参考资料：
https://eventhorizontelescope.org/array
https://astronomy.com/news/2019/04/heres-what-scientists-think-their-first-picture-of-a-black-hole-might-look-like
https://www.newscientist.com/article/2198937-first-ever-picture-of-a-black-hole-may-be-revealed-this-week/
https://science.sciencemag.org/content/335/6067/391.full
Heart on fire: Our galaxy's black hole is set to blow,SPACE 24 April 2013
https://www.newscientist.com/article/mg21829142-200-heart-on-fire-our-galaxys-black-hole-is-set-to-blow/
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编辑丨苏小七、Nico
封图图片 | 事件视界望远镜
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