5500万光年之外的“黑洞”，是如何被拍到的？

人类第一张黑洞照片的问世过程不可谓不隆重。先是几家科学机构在网络上发布消息进行预热，吸引人们的关注，随后在4月10日这天，全世界六地共同举行新闻发布会，向全世界展示这张关于黑洞的照片。

2019年4月10日，“事件视界望远镜”(EHT)项目发布人类史上首张黑洞照片，由欧洲南方天文台提供（图 | 视觉中国）

在位于华盛顿的黑洞照片发布会上，事件视界望远镜（The Event Horizon Telescope）的主管，哈佛-史密松天体物理学中心的天体物理学家谢泼德·德勒曼（Sheperd Doeleman）向全世界宣布，“我们看到了我们曾经以为无法看到的东西，我们为黑洞拍了一张照片。”这个科学成果也将作为一系列六篇论文发表在《天文物理期刊》（Astrophysical Journal Letters）杂志上。那么，黑洞到底是什么样子，这张照片对人类来说又有什么意义？

黑洞的概念实在是太过于深入人心，它早已成为大众文化中的一部分，以至于很多人几乎忘记了，人类在此前从没有直接“见到”过黑洞。关于黑洞这种奇特天体的存在，实际上来源于广义相对论的预测，而人类之前所展示的黑洞形象，也都是来自于电脑模拟。因此，人类第一次得到关于黑洞的直接图像可谓意义重大，自然会吸引到全世界的关注。

科幻电影《星际穿越》中计算机模拟出的黑洞形象

另一方面，为黑洞拍照片，也有悖于人们的常识。人们通常认为黑洞是一种能够吸收附近一切物质的恐怖天体，就连光线都逃不出来。而想要给一个物体拍照，则需要收集这个物体所发射或反射的光线——那么，人类如何才能给在数千万光年之外的黑洞拍照？

从物理学的角度来说，黑洞并不算完全的黑暗。所谓“黑洞不黑”，就是说黑洞自身也会向外发射辐射，这正是以理论物理学家史蒂芬·霍金命名的“霍金辐射”。尽管在理论上黑洞会向外界辐射，但这种效应实在是太过于微弱，对于距离黑洞数千万光年之外的人类来说，根本不可能探测到来自黑洞的霍金辐射，更不要说依此为黑洞照相了。因此，人类此次得到的黑洞的照片，实际上是黑洞在围绕其运转的高能量吸积盘中间呈现出的一个黑色的轮廓。

想在地球上观测一个数千万光年之外的黑洞轮廓绝不容易，这就需要借助事件视界望远镜的能力了。所谓事件视界望远镜并不是某个单一的望远镜，而是一个全球性的天文望远镜网络。通过位于全球各处的8个天文望远镜协作工作，把整个地球变成了一架超级射电望远镜，也只有如此，人类才能够首次拍摄到黑洞的照片。

望远镜在全球分布示意图，红点代表望远镜所在地

事件视界望远镜因为黑洞的“视界”（event horizon）而得名。所谓视界，是指黑洞周围一个数学上的边界，在这个边界以内，在引力作用下一切物质都会坠入黑洞有去无回。事件视界望远镜正是希望勾勒出黑洞的边界。这个科学项目源于德国拉德堡德大学的天体物理学教授海诺·法尔克（Heino Falcke）最初在1993年产生的一个想法，他认为如果世界上的射电望远镜可以协同工作，就可能收集到黑洞周围发射的射电信号，最终描绘出黑洞的样子。他说服了欧洲研究委员会（ European Research Council）支持这项研究，随后美国科学基金会（ National Science Foundation）和亚洲的一些研究机构也加入到这个项目中。

经过十多年的努力，最终在发布会上展示的黑洞是5500万光年之外室女座星系团中一个超大质量星系“M87”的中心黑洞。这个黑洞的质量大约是太阳的65亿倍，直径达到400亿公里，是人类已知最大的黑洞之一。实际上，它只是事件视界望远镜在2017年观测的两个超重黑洞之一，另一个被观测的黑洞是位于银河系中心的人马座A*黑洞。M87星系的中心黑洞比人马座A*黑洞距离地球远2000倍，但是其质量大约是人马座A*黑洞的1000倍，这个差距使它们在天空中“看上去”大小相当。

在黑洞的视界周围，因为其引力作用会吸引大量弥散状态的物质围绕着黑洞运转，这被称为黑洞的吸积盘。吸积盘中的物质可以通过黑洞的引力场获得巨大的能量，因而会呈现出明亮的形态，也就更加衬托出黑洞的沉默与黑暗。越是那些位于星系中心的超重黑洞，其吸积盘就更显明亮。这些明亮的光线大多来自高速坠入黑洞的气体所释放的光子。

也正是由于M87星系中心黑洞的亮度超过了其星系中数以千亿计的恒星的亮度，它才能够被地球上的人类观测到。相比于银河系中心的人马座A*黑洞，M87星系中心黑洞周围的气体旋转速度更低，亮度变化更小，黑洞的边界显得更为清晰，因此研究者们决定首先制作相对更为清晰的M87星系中心黑洞的图像，之后在再处理人马座A*黑洞的图像。

发布会上展示的照片中，在吸积盘的明亮背景下，M87星系中心黑洞投下了一个巨大的圆形阴影。黑洞一侧的轮廓相比于另外一侧更加明亮，这是因为黑洞自身（或是其吸积盘）在旋转，因此光线射向地球的一侧看上去更加明亮，而光线远离地球的一侧看上去就暗淡很多。

目前看来，M87星系中心黑洞各方面性质都符合广义相对论的预测。虽然现在已经没有什么人质疑广义相对论，但这次观测确实可以说是对于爱因斯坦理论的又一次有力验证。而想要取得科学上的突破，获得所谓的“大统一理论”，人类需要将广义相对论与量子力学结合起来，这就需要在未来能够获得在黑洞的视界区域更加清晰的图像，观察广义相对论在极端条件下的表现，进而寻找它与量子力学的结合途径。

直接观测黑洞这种极端的天体，会让人类对于时空的性质有更深的思考，对科学的发展也会起到极大的促进作用。通过这次为黑洞拍照项目，人类掌握了一种更为精确的估算黑洞质量的方法，天体物理学家们希望能够在未来能够获得视角更广阔的黑洞照片，以此来理解黑洞何以能够向外喷射出高能带电粒子达数千光年的距离。

《星际穿越》剧照

人类这次获得M87星系中心黑洞的照片，也是一次“大科学”项目的胜利。在火山和沙漠等地球上干扰较少的一些极端环境之中，8个射电望远镜被联结成了一个整体，协同合作，望向5500万光年之外的黑洞。不同望远镜所获得的海量数据被储存在数百个硬盘之中，最终又被合并在一起。全世界200多位科学家协同工作，进行数据的分析和处理。

在未来会更多的射电望远镜加入到事件视界望远镜的网络之中，这个网络甚至可能拓展到太空之中。随着21世纪人类大科学项目的进展，会有越来越多的科学发现展示在人们面前，而这张M87星系中心黑洞的照片，也将作为人类科学进步的标志之一，被人们所铭记。

（本文写作参考了相关科学机构的报道）

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