如此大费周章，这张到底意味着什么？

NO.1 这张照片是怎么拍出来的

举世界之力

在过去10多年时间里，麻省理工学院（MIT）的科学家们联合了全球其它研究机构的200多位科研人员，开展了激动人心的“事件视界望远镜”（EHT）项目，全球多地的8个亚毫米射电望远镜同时对黑洞展开观测。

8台射电望远镜构成了一架和地球大小相当的望远镜

EHT

通过“甚长基线干涉技术”(VLBI) 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——事件视界望远镜（EHT）。

它们北至西班牙，南至南极，向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，以勾勒出黑洞的模样。

这些望远镜分别是：

（1）南极望远镜

（2）位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵

（3）位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜

（4） 墨西哥的大型毫米波望远镜

（5） 位于美国亚利桑那州的Submillimeter Telescope

（6） 位于夏威夷的麦克斯韦望远镜

（7）位于夏威夷的亚毫米波望远镜

（8）位于西班牙的30米毫米波望远镜

它们多数都是单一望远镜，比如夏威夷的JCMT和南极望远镜；也有望远镜阵列，比如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。

视界面望远镜此次观测目标主要有两个，一是银河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中的黑洞。

之所以选定这两个黑洞作为观测目标，是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其它黑洞因为距离地球更远或质量大小有限，观测的难度更大。

Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳，所对应的视界面尺寸约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。然而地球与Sgr A*相距2万5千光年（约24亿亿公里），这就意味着它巨大的视界面在我们看来，大概只有针尖那么小，就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。

M87中心黑洞的质量达到了60亿个太阳质量，尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的视界面对我们而言，可能跟SgrA*大小差不多，甚至还要稍微大那么一点儿。

1000倍于哈勃

科学家们之前可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量，但相较于恒星与黑洞之间的距离尺度（1万亿公里），视界面的尺度太微小了（至少小10万分之一倍），因此利用单个镜面很难完成。

拍摄黑洞需要分辨率极高的观测仪器，即便是哈勃望远镜，也要提升1000倍分辨率才能满足拍摄黑洞的要求。

这时候，为了增强空间分辨率，我们就需要使用“干涉”技术了，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，最后将数据进行相关性分析之后合并，这一技术在射电波段已相当成熟。

在这种情况下，望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离，而非单个望远镜口径的大小，所以，视界面望远镜的分辨率相当于一部口径为地球直径大小的射电望远镜的分辨率。

全球大部分地区都要晴好

多年时间，研究团队一直在调整多座望远镜的观测时间，并为每个地方配备关键电子仪器。尽管万事俱备，但最终还有无法控制的一个关键因素——天气。

因为大气中的水对这一观测波段的影响极大，要想视界面望远镜顺利观测，需要所有8个望远镜所在地（从夏威夷到智利，从墨西哥到南极）的天气情况都非常好。

为了将这种影响最小化，射电望远镜通常都安放在高海拔，比如山顶或荒漠高原上，另外降雨量也要极少。但突然侵入的云朵和雨雪仍会导致天文台无法工作；此外，高海拔地区的强风也会让望远镜宕机。

因此，每年大约只有10天时间适合观测。

NO.2 照片为何如此模糊

电影《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞有着深不见底的黑色中心与立体清晰的气体圆环，此次发布的照片里的M87为何模糊许多？

电影《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞

和光学照片的清晰度问题一样，根源在于分辨率。

要想提高望远镜的分辨率，我们可以做两方面的努力：一是降低观测频段光子的波长（等价于增强能量），二是增加望远镜的有效口径。

这一次，通过VLBI技术对8个不同地方的望远镜进行联网，我们得到了一个口径达1万公里的望远镜。在VLBI技术相对成熟的射电波段之内，科学家们选择了能量最高的区域——毫米和亚毫米波段。

值得注意的是，此处的有效口径，其实取决于望远镜网络当中相距最远的两个望远镜之间的距离。

然而，尽管我们现在的亚毫米望远镜基线已经达到了1万公里，但空间分辨率刚达到黑洞视界面的尺寸，所以在科学家们观测的有限区域内，就相当于只有有限的几个像素。

在《星际穿越》电影当中，天文学家基普·索恩设想的黑洞形象——包括吸积盘的许多具体细节——都通过技术手段呈现了出来。然而在真实的情况下，我们在照片中只能看到吸积盘上的几个亮斑而已。

随之而来的一个问题是，既然我们可以将两个望远镜放置得很远从而实现更高的分辨率，那么我们能否只用两个望远镜来完成黑洞照片呢？

很遗憾，不行。观测要求的不仅仅是分辨率，还有灵敏度——高分辨率可以让我们看到更多的细节，而高灵敏度则能够让我们看到更暗的天体。

位于南极的SPT望远镜

在视界面望远镜的阵列中，位于南极的SPT望远镜在提高望远镜的分辨率方面起到了非常大的作用，而位于智利的ALMA望远镜阵列对于提高灵敏度非常重要。ALMA望远镜阵列将视界面望远镜的灵敏度提高了10倍以上，这也就意味着我们能够探测到更弱的天体。

位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵ALMA望远镜

如果未来将更多望远镜加入到这个阵列，我们就能探测到更弱的辐射区域，看到更多的细节，得到一张更加清晰的照片。

NO.3 照片为什么要冲洗那么久

对于之前的干涉仪来说，因为不同望远镜之间的距离不会太远，不同位置的观测数据通常可以实时比较、合并而后得到图像，科学家们是有可能实时在屏幕上看到图像的。

但对于此次跨越南北半球的视界面望远镜观测，因其所涉及的站点区域非常广阔，所产生的数据量将十分庞大。

视界面望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB (1PB=1000TB=1000000 GB)，和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多。

考虑到有些区域（比如南极）的数据传输速度相对较慢，所以科学家们在观测时不会对各个站点的数据进行实时相关分析，所以更不可能在屏幕上看到黑洞的实时图像。

另外，在数据处理的过程中，科学家也遭遇了不少技术难题——黑洞附近的气体处于一种极端环境当中，其运动有着非常多的不确定性。为了解决这些问题，科学家们还专门开发了特定的程序和工具。

最后，为了保证结果的准确性，在最终数据处理的时候，严谨的科学家们在两个不同的地方分别处理、分别验证。

全世界范围内设立了两个数据中心，一个是位于美国的麻省理工学院，另外一个是位于德国的马普射电所，二者彼此独立地处理数据，也彼此验证和校对，保证了最终结果的准确可靠。

因此，我们也就不难理解为什么视界面望远镜2017年开始给黑洞拍照片，2019年才发布成果。

NO.4 这张照片的意义

如此大费周章地从5500万光年外拍摄一张照片，除了满足人们“眼见为实”的心愿，当然还有更深刻的意义。

在这次拍照前，天文学家们都是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在：

1.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，可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在；

2.根据黑洞吸积物质（吃东西）发出的光来判断黑洞的存在；

3.通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

而这张史上第一张黑洞照片，让我们直接确认了黑洞的存在。而且科学家们所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁感叹爱因斯坦的伟大。

爱因斯坦

另外一个重要意义在于，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸推算中心黑洞的质量了。在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

NO.5 以后可以给任何黑洞拍照吗

从理论上来讲，任何能够产生辐射的黑洞都能拍。但受技术限制，我们还只能拍到那些看起来非常大的黑洞。

如果我们将视界大小定义为黑洞直径和黑洞距离的比值，那么我们可以知道，银河系中心黑洞的视界大小约为M87中心黑洞视界大小的1.4倍，这是我们知道的最大的两个黑洞。

而那些质量只有几十个太阳大小的恒星级黑洞，由于黑洞半径与黑洞质量成唯一正比关系，所以尽管距离相对比较近，但因其质量过小，视界大小更小，就更难被我们的望远镜看到。

NO.6 为什么不拍近一点的黑洞

虽然银河系中心的黑洞这么大，距离这么近，但M87中心黑洞附近气体活动比较剧烈，我们之前已经观测到了它所产生的强烈喷流。

另外一个很重要的原因是，我们的太阳系处在银河系的银盘上，在我们试图利用视界面望远镜探测来自于黑洞周围的辐射或光子时，这些光子会受传播路径上的星际气体的影响——气体会散射这些光子，将观测结果模糊化。

而M87是一个包含气体很少的椭圆星系，受到的气体干扰相对少很多，科学家们可以比较顺利地进行观测。

延伸阅读

黑洞是什么？

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）。

但实际上，黑洞就像是一只永远吃不饱而且无所不吃的怪兽，是一切物质的坟墓，引力极巨大。

它们是宇宙中密度最大的天体，而由巨大恒星坍缩形成的恒星黑洞，能将十个太阳压缩成比北京市还小一半。

在宇宙中，天文学家们根据质量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）。

物质被吸进黑洞后，去了哪里？

黑洞、白洞和虫洞是构成宇宙的三大重要器官。

黑洞吸收其引力范围内的物质后，超密物质将转化为能量，经过虫洞，由白洞向外喷发，这个方向是不可逆的。

黑洞里的这个喷发是极高温度和压力的超级能量流，是超光速的。

而白洞是广义相对论所预言的一种性质正好与黑洞相反的特殊天体，但目前还仅是一种理论模型，尚未被观测所证实。

虽然受限于观测分辨率和灵敏度等因素，目前的黑洞细节分析还不完善，但鹅会长相信随着科技的发展，我们能看到黑洞周围更多、更丰富的细节。

（部分内容、图片均源自网络）

何其幸运，我们成为这宇宙中第一批亲眼看到黑洞的碳基生物。

除此之外，我们还能站在巨人的肩膀上，学习他们总结出来的、丰富的学科知识。

这一次期中考试，就让我们也怀着探索的心情，突破自我、勇攀成绩高峰！

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