科普中国-科普融合创作与传播 2019-04-10
出品：科普中国
制作：黑洞来客团队 苟利军 黄月
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2019年4月10日中部标准时间15:00（北京时间 4月10日21点整），全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）将以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言，通过协调召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果，人类首张黑洞照片即将在全球六地同步发布， 一直“活在传说中”的黑洞终于要露真容了。
在此之前，笔者研究黑洞将近20年，我常常被人问到“黑洞是什么样的”。
说实话，我并不确定。
除了在论文课件中自制的效果图，第一次“亲眼”看到黑洞形象是2015年在电影院里，荧幕上是《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”——深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环——相对论物理学家基普·索恩为影片设计的黑洞形象，和想象中的相差无几。
从广义相对论推知而来的黑洞，就存在于宇宙深处，这一点在21世纪的今天或已无可置疑。黑洞确凿地存在于无数观测数据之中，但我们并不知道它在现实中的真实模样。如今，人类终于要为黑洞拍下第一张真正的照片了。
去年，事件视界望远镜观测计划开启
2017年的4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络，人类第一次看到黑洞的视界面。这个虚拟的望远镜网络被称为“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope， EHT），其有效口径尺寸将达到地球直径大小。人类在2015年第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声，从那以后，科学家们又在为亲眼目睹黑洞真容而努力了。
无论我们最终得到的黑洞图像是什么样子——是像电影画面一般壮观恢弘，或者只有几个模糊的像素点——事件视界望远镜都意义非凡，这是我们在黑洞观测史上迈出的重要一步。观测结果不仅仅是一张照片那么简单，它一方面呼应着爱因斯坦的广义相对论，一方面也将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。我们将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类，真是好运气。
无图无真相，科学家怎么知道黑洞在那里？
尽管“黑洞”（black hole）一词在1968年才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出来，但早在1783年，英国地理学家约翰·米歇尔（John Michell）便已经意识到：一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。这也是普通人在今天对于黑洞的最基本认识：吸入所有一切，连光都逃不出来。
既然想一睹黑洞“芳容”，我们对这个遥远天体的认识就得再多些。黑洞的几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，“奇点”在其周围形成一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。你大概感到好奇：登山家们勇攀高峰的原因是“山就在那里”，可是，既然天文学家们根本看不到黑洞，他们是怎么确定“黑洞就在那里”的呢？
黑洞自身不发光，难以直接探测，大大小小的望远镜对于直接观测遥远黑洞力不能逮。科学家们便只能够“曲线救国”，采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。
在某些时候，恒星量级（从3个太阳质量到100个太阳质量大小）的黑洞会存在于一个恒星周围，将恒星的气体撕扯到它自己身边，产生一个围绕黑洞旋转的气体盘，即吸积盘。
当吸积气体过多，一部分气体在掉入黑洞视界面之前，在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去，形成喷流。
吸积盘和喷流两种现象都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射，所以很容易被科学家探测到，黑洞的藏身之处也就暴露了。
理论很丰满，现实很骨感。以我们的银河系为例，根据理论推算，银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞，可到目前为止，我们只确认了20多个黑洞的存在，此外还有4、50个黑洞候选体。
要最终真正确认一个天体是否为黑洞，我们还需要做出更多测量与计算。要探测一个从几十万个太阳质量到几十亿甚至上百亿个太阳质量的超大质量黑洞，挑战就更大了，科学家们为了确认银河系中心黑洞Sgr A*的存在，着实费了不少力气。
望向银河中心黑洞的视界面，犹如在地球上看月球上的橙子
发现黑洞已如此不易，给它拍照岂不是更难？
从17世纪初人类发明望远镜至今，天文望远镜的口径已变得越来越大，从最早的2.5厘米口径，到目前最大的10米口径光学望远镜，还有我国贵州的500米口径射电望远镜，下一代更大口径的望远镜也正在计划或建设当中，这些望远镜无一不凝结了人类的智慧，甚至代表了人类社会的最高科技水平。然而，要想观测遥远黑洞，依靠目前任何单个望远镜都还远远不够。因此，在过去10多年时间里，麻省理工学院（MIT）的科学家们联合了其它研究机构的科研人员，开展了激动人心的“事件视界望远镜”项目，全球多地的8个亚毫米射电望远镜将同时对黑洞展开观测。
这八兄弟北至西班牙，南至南极，它们将向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，为我们勾勒出黑洞的模样。
这些望远镜分别是：南极望远镜（South Pole Telescope）；位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array，ALMA）；位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜（Atacama Pathfinder Experiment）；墨西哥的大型毫米波望远镜（Large Millimeter Telescope）；位于美国亚利桑那州的（Submillimeter Telescope）；位于夏威夷的麦克斯韦望远镜（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；位于夏威夷的亚毫米波望远镜（Submillimeter Array）；位于西班牙的毫米波射电天文所的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 …
