事件视界望远镜发布人类首张黑洞图像

周三，天文学家们公布了有史以来第一张黑洞照片，为一项长达数十年的努力画上了戏剧性的句号。这张标志性的图像让人类首次得以窥视围绕其事件视界的物质和尘埃——那个物质会永远消失的点。

科幻小说中一个备受喜爱的物体终于在屏幕上成为现实。他们的目标是附近一个被称为M87的星系及其超大质量黑洞，它的质量相当于六十五亿个太阳。尽管它体积庞大，但这个黑洞距离地球太远——5300万光年——以至于拍摄这张照片需要一个行星大小的望远镜。

这项里程碑式的成就得益于事件视界望远镜（EHT）。图像数据采集于2017年，但科学家们花了两年时间才将其拼接起来。这是因为EHT由八个独立的、遍布全球的天文台组成，它们协同合作，作为一个巨大的探测器。

EHT主任Shep Doeleman在今天的新闻发布会上宣布：“我们很高兴今天向您报告，我们已经看到了我们认为‘不可见’的东西。”

研究人员今天早上在七个不同的国家同时宣布了这一重大消息，并同时在《天体物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上发表了一系列科学论文。

一张不可能的黑洞图像

黑洞质量巨大且密度极高，连光都无法逃脱它们的引力。它们通常被称为奇点，或点源，因为它们不占据任何实际空间。但这个神秘的奇点被一个事件视界球体所包围。任何越过它的物体都注定会落入黑洞，无法逃脱。

这意味着黑洞本身是真正的黑暗——它既不反射光，也不发出光。所以无论技术多么先进，都没有东西可以拍照。在事件视界望远镜的图像中，它仅仅表现为一个中心暗斑，或者天文学家常说的黑洞的“阴影”。

事件视界望远镜：它是如何工作的？

Feryal Özel是亚利桑那大学的天体物理学家，也是EHT的合作者。她解释说，阴影是黑洞吸收周围光线的现象。光线来自围绕黑洞旋转的热气体，当气体落入黑洞时会被加热。

“所以，我们的望远镜能够捕捉到光线，只要它不是来自黑洞的近距离区域，而是来自它稍远一点的地方，”Özel说。“当光线落入事件视界时，那部分图像就是黑暗的。无论‘阴影’这个词是否完美，它都在周围的辐射上印下了这种黑暗。”

拍摄一个黑洞本应存在的地方的阴影图像，可能看起来并不特别，但黑洞本身并不完全被证实存在——至少不是在科学家们期望它们存在的所有地方，比如大多数大星系的中心。Özel说，看到这个阴影证实了它确实是一个黑洞。

像漩涡一样，围绕黑洞旋转的物质大多是平坦的。科学家称之为吸积盘。这些吸积盘可以跨越巨大的距离，并发出极其明亮的光芒，照亮整个宇宙。但捕捉这些信标就像在原子弹爆炸时拍摄蘑菇云，而真正的科学发生在爆炸核心的原子层面。

科学家们 long desire 渴望看到盘面内部，即物质实际消失到黑洞中的地方。在EHT之前，这种细节水平一直未能实现。

事件视界望远镜的奇特探索黑洞成像之旅

有时，这种半混乱的吸积盘物质会相互碰撞，将物质以喷流的形式射出，这些喷流可以延伸数千光年，并以近乎光速的速度传播。天文学家已经使用更常规的仪器，如哈勃太空望远镜，拍摄到了M87的喷流。

但这些极端速度的确切原因仍然不清楚。科学家们认为磁场是主要嫌疑犯。“我们认为黑洞的自转与磁场的相互作用导致了喷流，但我们没有证据，”Özel说。

成像黑洞的中心区域应该能提供证据。“如果我们看到类似喷流的图像或与之相关的任何东西，我认为这会增加我们对喷流在黑洞附近形成的信心，”Özel补充道。

除了喷流，研究M87附近物质的旋转也使天文学家能够为这个怪物黑洞提供有史以来最精确的重量，它是已知宇宙中最具质量的黑洞之一。天文学家可以通过观察绕银河系中心黑洞——人马座A*（发音为A-star）——外围运动的恒星来测量它的质量。但M87的黑洞距离更远，尺度也同样模糊。这导致了对其质量的争议。

“有两种不一致的测量，”Özel说。“我们的不确定性远小于这两个测量值之间的差异。”

黑洞天文台

事件视界望远镜的八个合作天文台分布在世界各地，并通过一种称为干涉测量的过程连接起来。事实上，其中一些天文台，比如大型阿塔卡马毫米波/亚毫米波射电干涉仪（ALMA），本身就是干涉仪，是横跨许多英里的望远镜阵列。

干涉测量的原理是利用许多小型望远镜组合成一个具有巨大收集面积的望远镜。这提高了最终观测台配置的分辨率。但干涉测量也有权衡。每个仪器之间都有空间缺失——在EHT的情况下，缺失的空间很多。这降低了图像的保真度，也就是图像重现原始物体准确性的程度。天文学家利用他们对黑洞应该是什么样子的某些想法来缩小可能性。

另一个复杂的问题是如何处理如此大量的数据。每个站点都以不同的波长范围采集数据，产生海量信息，相当于5000小时的MP3音乐文件——太多了，无法通过互联网传输。

例如，为了将数据从南极望远镜传输回来，科学家们不得不等到南极春天，飞机终于再次开始起飞。一辆载满硬盘的运输托盘被送往北半球，在那里，数据分析在中欧标准时间下午3点在德国波恩的马克思·普朗克研究所和马萨诸塞州韦斯特福德的麻省理工学院-哈佛天文台的处理中心进行。

在那里，数据被相关联，或者在观测站点之间进行匹配。每个单独的望远镜看到的是天空的不同角度，因此它们在不同时间进行观测。这意味着必须精确匹配数据才能生成一张统一的图像。

“校准和处理花了几个月时间，”Özel说。“最后我们将其合成为一张图像。然后我们又花了六个月时间担心我们可能做错的所有事情，并不断地问自己更多问题，直到最后，你才能确信你所拥有的真实可靠。”

未来清晰可见

今天的图像只是天文学家期望EHT产生的第一个图像。该天文台的另一个主要目标是银河系中心的黑洞，人马座A*。虽然它比M87近1000倍，但它也只有M87大约1/1000的尺寸，所以需要相同的观测能力。

但由于它更小，围绕其事件视界的物质移动速度更快，每隔几分钟就完成一圈，而不是像M87那样需要几天才能绕一圈。“这使得人马座A*更难，”Özel承认。

此外，瞄准人马座A*的天文学家必须穿过银河系的盘面，并受到更多尘埃和其他干扰物质的影响。但他们仍然预计在不久的将来会发布我们银河系黑洞的图像。

更有趣的是M87和其他尚未到来的黑洞的重复图像。通过观察黑洞随时间的变化或不变，天文学家可以了解黑洞的稳定特征，并观察物质如何消失在事件视界之外。