年度故事：人类首次观测到黑洞

今年春天，天文学家公布了有史以来第一张黑洞照片，结束了一项长达数十年的努力。这张照片让人类首次得以一窥围绕着黑洞事件视界（物质一旦越过该点便会永远消失）旋转的气体和碎片。曾经科幻小说中的景象，如今终于变得真实可见。

“我们很高兴今天能向大家报告，我们已经看到了我们认为看不见的东西，”事件视界望远镜（EHT）的创始主任Shep Doeleman在四月份宣布这一发现时说道。科学家团队在七个不同的国家同时发布了他们的公告，并同期在《天体物理学杂志通讯》上发表了一系列科学论文。

此次拍摄的对象是附近的一个星系，代号为M87，以及它那拥有65亿个太阳质量的超大质量黑洞。尽管质量巨大，但该黑洞距离地球非常遥远——5500万光年——因此捕捉这张照片需要一个像地球一样大的望远镜。EHT做到了这一点，它在全球范围内拥有近十二个独立天文台组成的网络，协同工作如同一个巨大的探测器。（2017年，当研究人员首次收集到图像数据时，EHT只有八个天文台参与。）随后，科学家们花了两年时间分析和格式化这些数据，才得以公布最终的照片。

一张黑洞的照片，起初似乎是不可能的。这些天体质量巨大且密度极高，甚至连光都无法逃脱它们的引力。这意味着黑洞实际上是黑色的——它既不发出也不反射任何光。果不其然，在EHT的照片中心是一个黑色的斑块，天文学家们通常称之为它的“阴影”。但这不仅仅是一张照片：阴影周围是一个明亮的、炽热的光环。

Feryal Özel是亚利桑那大学的天体物理学家，也是EHT的合作者。她说，这些光来自附近旋转的热气体，这些气体在剧烈地坠入黑洞的过程中被加热。“只要光不是来自黑洞的近距离区域，而是来自它之外，我们的望远镜就能捕捉到，”Özel说。“当光落入事件视界时，那一部分就是黑暗的。”

耗费数年拼接数据

这张照片及由此产生的数据，帮助天文学家们对黑洞有了更深入的了解，特别是对这个特定的黑洞，这使得两年的等待是值得的。延迟的部分原因仅仅是收集大量观测数据的后勤问题。每个天文台都只在狭窄的波长范围内收集数据，产生海量的信息——相当于多达5000年的MP3音乐文件。这无法通过电子邮件发送。研究人员不得不寻找物理地转移这些数据的方法。例如，要将南极望远镜（位于南极洲）的信息运出，科学家们不得不等到春天，届时飞机才能再次起飞。

只有到那时，研究人员才能开始这项复杂的工作，将来自八个天文台的数据拼接在一起，这项技术被称为干涉测量。团队的工作量很大：每个观测点的原始文件都带有不同的天空视角、不同的波长和不同的观测时间。

“校准和处理这些数据花了几个月的时间，”Özel说。“最后，我们将其合成为一张单一的图像。”但她表示，工作还没有结束。“你还要花六个月的时间去担心你可能做错的所有事情，一遍又一遍地问自己问题，直到最终你能确定你所看到的是真实的。”

嘿，黑洞，笑一个！

如何捕捉黑洞的特写？从一个行星大小的望远镜开始：EHT。分布在四大洲的八个地点（2018年，格陵兰岛加入，成为第九个点）的天文学家们合作收集数据并处理成一张单一的图像。以下是实现这一目标的天文台：

对准我们银河系的黑洞

而这张真实图像仅仅是天文学家们期望EHT能够产生的首批图像之一。这个全球阵列的另一个主要目标是位于银河系中心的黑洞，人马座A*（发音为A-star）。虽然它比M87近1000倍，但它也大约小1000倍，因此需要相同的观测能力。但由于它更小，围绕其事件视界旋转的物质移动速度更快，每隔几分钟就能完成一个循环；而M87则需要几天。Özel说：“这使得人马座A*更具挑战性。”

更重要的是，瞄准人马座A*的天文学家必须透过银河系的盘面进行观测，这意味着要处理更多的尘埃和其他干扰物质。但他们仍然期望在不久的将来能发布我们银河系黑洞的图像。

更令人兴奋的是，M87和其他尚未出现的黑洞的重复图像。通过观察黑洞如何随着时间变化或不变化，天文学家们可以了解其稳定的特征，并观察物质是如何消失在事件视界之外的。

[本文最初以“人类首次窥见黑洞”的印刷版形式发表。]