人民网 2019-04-11 作者：吴月辉
首张黑洞照片。事件视界望远镜合作组织供图
黑洞是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，该势力范围称作事件视界。
四大洲、8个观测点组成虚拟望远镜网络，让黑洞首次有了一张“正面照”。
近年来，中国参与国际合作的广度和深度不断加大，在吸收世界创新养分的同时，也不断贡献中国智慧。
大量天文观测数据已证实，浩瀚的宇宙当中，无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞真容。
2017年4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将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。最终，科学家们成功拍摄到了黑洞的第一张“照片”。北京时间4月10日21时，这张“大片”在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。
4年前，两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到，成为科学界的一个里程碑事件，人类开始“听”到黑洞。这一次，人类终于眼见为实。
有许多间接证据证明黑洞的存在，但科学家从未直接“看”到
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。
黑洞怎么形成的？像宇宙万物一样，恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时，内核会急剧塌缩，所有物质快速向着一个点坍缩，最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点，并形成一个强大的力场漩涡，扭曲周围时空，成为黑洞。
根据质量，天文学家将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍到上百倍太阳质量）、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）。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。然而，因为黑洞自身不发射和反射电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到它。
既然无法“看见”，怎么知道它存在呢？天文学家们主要是通过各种间接的证据。一是恒星、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。二是根据黑洞吸积物质，也就是“吃东西”时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。到目前为止，通过间接的观测，科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞，但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。
中国科学院上海天文台研究员沈志强说：“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗，它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外，银河系还有很多恒星级黑洞。”
黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系？又和我们人类有什么关系？为了更准确清晰地解答这些问题，科学家们想直接“看”到黑洞。
口径如地球大小的虚拟望远镜，灵敏度和分辨本领前所未有
广义相对论预言，虽然黑洞本身不发光，但因为黑洞的存在，周围时空弯曲，气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中，引力能转化为光和热，因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，事件视界看起来就像阴影，阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。
中国科学院上海天文台研究员路如森说：“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。这就必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而保证看得到和看得清。”
但满足上述所有条件，望远镜的口径需要像地球大小。然而，目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米，远远不够用。怎么解决？
一个难以想象的大科学计划诞生了：用分布全球的8个观测点，组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜，其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。条件苛刻的观测点，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。
全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”（EHT）这一重大国际合作计划，决定利用甚长基线干涉测量技术。沈志强说：“就是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。”
被拍照的黑洞质量超大，但因距离遥远，就像在地球上看放在月球表面的橙子
在组建大型虚拟望远镜的同时，科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。
黑洞阴影和周围环绕的新月般光环非常小。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞照片，必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。
科学家们甄选之后，决定将近邻的两个黑洞作为主要目标：一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大质量黑洞。
沈志强说：“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也意味着质量越大，其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大，它们的事件视界在地球上看起来也是最大的，可以说是目前最优的成像候选体。”
尽管被选择的两个黑洞已是最优成像候选体，但要清晰为它拍照，难度还是极其大。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2.5万光年之遥。“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个放在月球表面的橙子。”沈志强说。
M87中心黑洞的质量更为巨大，达到了60亿个太阳质量。尽管M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的事件视界对科学家们而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至还要稍微大一点。
要想看清楚两个黑洞事件视界的细节，事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢？路如森说：“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。”但也别以为，只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，在合适的波段进行观测至关重要。
此前的一系列研究表明，观测黑洞事件视界“阴影”的最佳波段约为1毫米。路如森说，这是因为气体在这个波段的辐射最明亮，而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。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。…
