【科普】关于人类历史上第一张黑洞照片，你想知道的都在这里

 4月10日，通过协调召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）宣布已经成功获得了超大黑洞的第一个直接视觉证据。EHT是一个通过国际合作而实现的、由八个地面射电望远镜组成的观测阵列，主要旨在通过形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜来捕捉黑洞的图像。

　　《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87【1】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【2】。 

　　EHT把地球上的望远镜“组合”起来形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，所达到的灵敏度和分辨本领【3】都是前所未有的。百年之前，爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证【4】。如今，作为多年国际合作的结果，EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新方法。 

　　“我们捕获到了黑洞的首张照片”，来自天体物理中心|哈佛大学及史密松宁学会的EHT项目主任Sheperd S. Doeleman说,“这是一项由200多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。” 

卡冈图雅黑洞 图片来源：电影《星际穿越》

假想黑洞

　　黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体，在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境，让时空弯曲，并将周围的气体吸引进来。在此过程中，气体的引力能转化成热能，因此气体的温度变得很高，会发出强烈的辐射。 

　　“如此一来，黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，我们期望着黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的，可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、来自荷兰Radbound大学的Heino Falcke解释。“这个暗影的形成，源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质，也使得我们能够测量M87黑洞的巨大质量。” 

　　多次独立的EHT观测通过多个校准以及不同的成像方法均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域，即黑洞阴影。 

　　“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匹配”，EHT 董事会成员贺曾朴评论道，“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。” 

　　创建EHT是一项艰巨的挑战，需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜来组成全球网络，而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区，包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。 

　　EHT观测使用了甚长基线干涉测量（VLBI）技术，观测波段是1.3毫米。世界各地的射电望远镜同步观测，同时利用地球自转，形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，达到的分辨率约20微角秒，足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读纽约的报纸【5】。 

望远镜分布

位于南极的SPT望远镜（图片来源:SPT）

位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵ALMA望远镜（图片来源：ALMA）

参与此次观测的望远镜包括ALMA、APEX、IRAM 30米望远镜、James Clerk Maxwell望远镜、大毫米波望远镜（LMT）、亚毫米波阵（SMA）、亚毫米波望远镜（SMT）和南极望远镜（SPT）。马普射电所和麻省理工学院Haystack天文台的专用超级计算机负责了对原始观测数据的互相关工作。 

　　EHT的建设和今天宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。这与来自世界各地的研究人员的密切合作是分不开的，是全球团队合作的典范。13个合作机构共同创建了EHT，使用了既有的基础设施并获得了各种机构的支持。主要资金由美国国家科学基金会（NSF）、欧盟欧洲研究理事会（ERC）和东亚资助机构提供。 

　　这一激动人心的成果受到了中国科学院天文大科学中心（CAMS）的支持，CAMS由中国国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立，是EHT的一个合作机构（EHT共有3个合作机构）的成员。上海天文台台牵头组织协调国内学者通过该合作机构参与此次EHT项目合作。 

　　“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点站”,上海天文台台长沈志强研究员说。“ 我们期望也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。” 

　　“我们已经取得了一代人以前认为不可能做到的事情”，Doeleman总结到。“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起，打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。” 

    注释： 

　　【1】黑洞阴影是我们能看到的最接近黑洞本身的图像，黑洞是一个完全黑暗的天体，连光线也没法逃离它的势力范围。黑洞的势力范围——事件视界（EHT便以此为名）——比黑洞阴影的尺寸小约2.5倍，大小约400亿千米（对M87中心的超大质量黑洞来说）。 

　　【2】超大质量黑洞是相当小的天体，以至于几乎很难被直接看到。由于黑洞的尺寸正比于它的质量，黑洞质量越大，黑洞阴影越大。M87中心的黑洞质量巨大，又相对接近我们，是从地球上看过去角尺寸最大的黑洞之一，也因此成为EHT的一个完美目标。 

　　【3】虽然这些射电望远镜没有物理上连接，但借助氢原子钟精确计时，各台望远镜实现了数据记录的同时性。在2017年的全球观测中，观测波段是1.3毫米。EHT的每一台望远镜都产生了大量的数据，每天约生成350太字节的数据。这些数据被存储在高性能的充氦硬盘上。随后，这些数据被空运至被称作相关器的高度专业化超级计算机进行合并处理，这些超级计算机位于马普射电所和麻省理工学员海斯塔克天文台。在那里，合作开发的新型计算工具将精心处理数据并转换为图像。 

　　【4】100年前，为了通过观测星光是否会因太阳引力弯曲来检验广义相对论，两支科学探险队前往非洲海岸的普林西比岛和巴西的索布拉开展1919年的日食观测。作为1个世纪后的回应，EHT已经派遣团队成员前往世界上最高和最偏僻的射电观测台站，去再一次检验我们对引力的理解。 

　　【5】随着IRAM NOEMA天文台、格陵兰望远镜和基特峰望远镜加入EHT，未来EHT的灵敏度将显着提高。 

　　更多信息： 

　　这项研究将于今天以一系列六篇文章发表在“天体物理学杂志快报”（ApJL）上。 

　　EHT合作涉及来自非洲、亚洲、欧洲、北美洲和南美洲的200多名研究人员。该国际合作正致力于通过创建与地球大小相当的“虚拟”望远镜来捕捉最精细的黑洞图像。在相当多的国际投资的支持下，EHT使用新颖的系统连接现有的望远镜，实现了一种具有最高角分辨本领的新观测设备。 

　　所涉及的各个望远镜是; ALMA（73米）、APEX（12米）、IRAM 30米望远镜、IRAM NOEMA天文台、James Clerk Maxwell望远镜（JCMT，15米）、大毫米望远镜Alfonso Serrano（LMT，32.5米）、亚毫米波阵列（SMA，14.7米）、亚毫米望远镜（SMT，10米）、南极望远镜（SPT，6米）、基特峰望远镜和格陵兰望远镜（GLT）。

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来源：上海天文台、科普中国、测绘学报

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