8台望远镜，两年分析：给黑洞拍照不容易

原文作者：Davide Castelvecchi

“事件视界望远镜”（EHT）获得了首张黑洞和事件视界的照片。

天文学家终于捕捉到黑洞的黑暗真容了。通过集结全球的射电望远镜，天文学家首次拍到了黑洞的危险边界——事件视界的照片，周围可见一圈光环。

“我们在时空的尽头看见了地狱之门，”荷兰拉德堡德大学天体物理学家Heino Falcke在布鲁塞尔的新闻发布会上说，“你所看到的是时空扭曲形成的一个火环。光在黑洞周围传播，看起来像一个环。”

M87星系中心黑洞的首张照片。

来源：EHT Collaboration

上图展现了M87星系中心的特大质量黑洞，它距离我们有1600万秒差距（5500万光年），质量是太阳的65亿倍。所得照片以前所未有的细节向我们展现了事件视界。在巨大的引力作用下，任何物体，即使是光也无法从事件视界内逃脱。

4月10日，“事件视界望远镜”（EHT）合作项目在全球四大洲同步召开六场新闻发布会，公布了这张万众期待的黑洞照片，其拍摄难度相当于从地球拍摄月球表面的一个甜甜圈。相关论文于同一天发布在《天体物理杂志快报》（Astrophysical Journal Letters ）上。

斯坦福大学天体物理学家Roger Blandford表示，这张照片是一项“了不起的成就”。“当我还是学生时，我做梦也不会想到这种事情会成真，”他说，“结果再次确认了广义相对论关于强引力场的预言是正确的。”

加州大学洛杉矶分校的天文学家Andrea Ghez表示：“我太激动了。”她说这些照片是黑洞周围有“光子环”的“确凿证据”。

全球6场新闻发布会同时公布黑洞照片。

黑洞预测

近一个世纪前，物理学家根据爱因斯坦的广义相对论首次推断出黑洞的存在，不过在此之前，科学家只能找到间接证据，而现在EHT 对这些预测做出了一次前所未有的有力验证。

2017年4月，EHT团队用5个晚上观测了两个特大质量黑洞——M87黑洞和银河系中心的人马座A*（Sagittarius A*）。团队集结了分布在世界各地的8台射电望远镜，达到的分辨率刚好可以观测到这两个天体。这些望远镜远至夏威夷和南极，每一台采集的数据量都超过了大型强子对撞机（LHC）一年的数据总量（见“全球合作”）。经过两年的分析处理，黑洞照片最终得以问世。

在整合了所有望远镜的数据之后，EHT团队于2018年年中开始了分析工作。他们很快发现，可以先“冲洗”出一张M87的清晰照片。Falcke说：“当第一批数据出来的时候，我们就决定把重点放在M87上，因为我们知道结果将会非常惊艳。”

在布鲁塞尔的新闻发布会上，同样来自拉德堡德大学的天体物理学家Monika Moscibrodzka表示，现有的测量数据还不够精确，无法测量出M87黑洞的自旋速度——自旋是黑洞的一个关键特征；不过能表明其自旋方向是顺时针的。进一步展开研究或许还有助于科学家发现黑洞喷流是如何产生的。

EHT团队接下来将重点分析人马座A*的数据。团队成员、法兰克福大学的理论天体物理学家Luciano Rezzolla表示，人马座A*大约只有M87黑洞的千分之一大小，每次观测期间，物质绕其旋转的次数较多，因而会产生快速变化的信号，而不是一个稳定的信号。这会增加数据解读的难度，但其背后透露的信息量可能也会更大。

NIK SPENCER/Nature; Avery Broderick/University of Waterloo (IMAGES bottom)

事件视界是黑洞的典型特征。从附近观测时，事件视界看起来就像覆盖在其内部物质周围的一个球面。由于光只可能从外向内单向穿过这个表面，因此，整个球体看上去几乎是漆黑一片。

黑洞的事件视界看上去会是实际大小的5倍，这是因为黑洞会扭曲周围的空间，使光的传播路线发生弯曲。华盛顿大学物理学家James Bardeen最先于1973年发现了这一效应，其原理类似于放入一杯水中的勺子看起来会变大。Bardeen还指出，黑洞投射的“暗影”会更大。这是因为在事件视界的特定范围内，大部分光线会由于极度弯曲而绕黑洞传播。

地球口径望远镜

射电天文学家通过计算发现，为了分辨事件视界的细节，他们需要一台口径相当于地球直径的望远镜（望远镜分辨率与望远镜大小成正比）。好在一种名为干涉测量的技术可以突破这一障碍。这项技术需要使用多台望远镜，且望远镜之间的距离要足够远，并同步观测同一个对象。联合观测时，这些望远镜就好比一个大型望远镜碟面的一部分。

全球许多团队都优化了原有技术，改装了主要观测设备，以便能参与观测。其中，哈佛大学Shep Doeleman团队让口径10米的南极望远镜和造价14亿美元的智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波望远镜阵列（ALMA）达到了观测要求。

2014年，Falcke、Doeleman和世界各地的团队联合组成了EHT合作项目，并于2017年进行了首次横跨地球的观测。他们在4月为期两周的窗口期内对人马座A*和M87进行了观测，当时各望远镜所在位置最有可能同时拥有适宜观测的天气条件。

海量原始数据被记录在硬盘中，经过海陆空运输，最后汇聚到了马克斯·普朗克射电天文学研究所和麻省理工学院海斯塔克天文台。

去年，还在进行数据处理的时候， Falcke便告诉《自然》，他预计这次实验可以收集到大量关于黑洞结构的信息，但是不会得到一张漂亮的图片。他说最多看起来就像“一颗难看的花生”，“或者，首张照片就是几个点。连花生都不像。”

2018年，EHT再次展开了观测——目前仍在对观测数据进行分析，但取消了原定于今年的观测计划，因为EHT一个最重要的观测点——位于墨西哥的50米大型毫米波望远镜——周围存在安全隐患。他们计划从2020年开始每年执行一次观测任务。

EHT合作项目目前正在筹集资金，计划在非洲建立一个观测点，填补观测网络中的一个主要空白，亦即将一台退役的15米瑞典望远镜从智利转移至纳米比亚的甘斯堡桌山。目前，EHT观测网已经确定了两名新成员：格陵兰望远镜和法国阿尔卑斯山望远镜阵列。

EHT观测网的不断扩大有助于天文学家进一步深入探索黑洞，大型毫米波望远镜的物理学家David Sánchez Argüelles表示，这将带我们进入“黑洞的内部世界，看看和我们预想的是否一样”。

“看到这个结果令人感到十分欣慰，也十分惊喜，”Doeleman说，“你知道我本来以为会是什么吗？一个团而已。能看到这个环可以说是最好的结果了。”

原文以Black hole pictured for first time — in spectacular detail为标题

发布在2019年4月10日《自然》新闻上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-01155-0

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