作者：腾讯科技/乔辉
北京时间4月10日21:00世界上最大口径射电望远镜，天文学家召开全球新闻发布会，公布首张黑洞直射照片。这张照片来之不易。为了得到这张照片，天文学家在世界各地使用了 8 毫米/亚毫米波射电望远镜，组成了所谓的“事件视界望远镜”（简称 EHT）。
从 2017 年 4 月 5 日开始，这八台射电望远镜连续几天进行联合观测，随后两年的数据分析让我们看到了黑洞的真面目。
人类第一张直接拍摄的黑洞照片
这个黑洞位于代号为 M87 的星系中，距离地球 5500 万光年，质量相当于 65 亿个太阳。
在看科普新闻、科普书籍、看科幻电影的时候，经常可以看到黑洞的样子，但其实是从科学理论推导出来的，并不是直接观察到的。 2014年，诺兰执导的科幻电影《星际穿越》一炮而红。在这部电影中，笼罩在光晕中的超大质量黑洞——“Gargantua”令人肃然起敬，而这里的黑洞图像则是由电脑模拟出来的。在著名理论物理学家吉普·索恩（Gip Thorne）的指导下，这里的模拟非常接近真实，但终究还是模拟，而这一次是真实的。
注：科幻电影《星际穿越》中计算机模拟的黑洞图像。
为什么要拍摄不发光的黑洞照片？
近年来，黑洞一词频频出现在媒体报道中，想必很多人都对它有所了解。恒星质量黑洞是由大质量恒星演化结束时核心的引力坍缩形成的。中等质量黑洞和大质量黑洞的具体形成方式尚未确定：可能是小黑洞合并形成的，也可能是黑洞吞噬物质逐渐形成的，也可能是可能是大量气态物质直接坍塌形成的。
黑洞最令人印象深刻的是它吞噬一切，甚至光。如果是孤立的黑洞，我们真的不能用电磁波来射击。
黑洞模拟图
但黑洞周围通常有物质，形成一种称为“吸积盘”的盘状结构。吸积盘中的物质围绕黑洞高速旋转，相互摩擦发出炽热的光芒，包括从无线电波到可见光到X射线的连续辐射。吸积盘位于黑洞的“事件视界”之外，因此发射的辐射可以逃逸到我们可以探测到的遥远地方。
因此，我们拍摄的不是黑洞本身，而是黑洞边界上物质发出的辐射勾勒出的黑洞轮廓，就像在看一场皮影戏。
什么是黑洞的“事件视界”？
简单来说，黑洞的视界是指黑洞周围的时空边界。一旦任何物质甚至光越过这个边界，它就永远不会回来。但是对于进入事件视界的物体来说，事件视界实际上并没有什么奇怪的。除了事件视界之外，还有绝对视界和视视界，这里就不赘述了。
我们通常所说的黑洞大小，其实是指黑洞视界的大小。如果太阳被压缩成一个黑洞，它的事件视界半径只有3公里！如果地球被压缩成一个黑洞，它的事件视界半径只有9毫米！没错，就是9mm。
什么是视界望远镜？
在文章开头，我们提到为了观测黑洞视界边缘的物理过程，天文学家使用了分布在世界各地的 8 毫米/亚毫米波射电望远镜。望远镜，这个虚拟望远镜，被称为“视界望远镜”。
注意：分布在世界各地的八台毫米波和亚毫米波射电望远镜虚拟化了一个地球大小的“事件视界望远镜”
从西班牙的30米毫米波望远镜（IRAM 30米望远镜），到夏威夷的两台射电望远镜，再到南极洲的南极望远镜，无一不参与了这次伟大的观测。八毫米/亚毫米波射电望远镜是：
西班牙内华达山脉的 30m 毫米望远镜 (IRAM 30m)；
美国亚利桑那州的海因里希赫兹亚毫米望远镜 (SMT)；
位于墨西哥一座死火山顶部的大毫米望远镜 (LMT)；
夏威夷的詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜 (JCMT)；
夏威夷的亚毫米阵列 (SMA)；
智利沙漠中的阿塔卡马大型毫米波阵列 (ALMA)；
阿塔卡马探路者实验望远镜 (APEX;
位于南极阿蒙森斯科特天文台的南极望远镜 (SPT)；
注意：位于智利北部阿塔卡马沙漠的大型毫米波阵列 (ALMA) 是该波段中世界上最强大的望远镜阵列。
在八台射电望远镜中，阿塔卡马大毫米阵列（ALMA）是最强大的！ ALMA位于智利北部的阿塔卡马沙漠，海拔5000米，这里常年干旱，为观测创造了良好的条件。目前，ALMA 是一个由 66 个移动单望远镜组成的干涉阵列，通过光纤传输信息。价值 14 亿美元的 ALMA 是目前最昂贵的地面望远镜之一。如果没有 ALMA 的参与，观察黑洞的视界简直就是不可能完成的任务。
事件视界望远镜的工作原理是什么？
地球大小的虚拟望远镜采用了一种称为超长基线干涉测量 (VLBI) 的技术。它允许用多个天文望远镜同时观测一个天体，模拟一个巨型望远镜的观测效果，其大小相当于望远镜之间的最大间隔距离。为了理解这个原理，我们需要简单了解一下这项技术的历史背景。
1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Martin Ryle利用基线干涉原理发明了合成孔径射电望远镜，大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是：用两台相隔两地的射电望远镜接收同一个天体的射电波，两束光发生干涉，等效分辨率可与口径等于距离的单口径射电机相等两地之间。望远镜。赖尔因这项发明获得了 1974 年的诺贝尔物理学奖。
传奇：美国的超大型天线阵列 (VLA)。每根天线重 230 吨，安装在轨道上以便移动。
基于合成孔径技术的射电望远镜在美国以甚大阵列（VLA）为代表，它是由27根直径为25米的天线组成的射电望远镜阵列。它位于美国新墨西哥州的旧金山。在海拔2124米的奥古斯丁平原上，它是世界上最大的合成孔径射电望远镜。非常大的天线阵列每根天线重 230 吨，竖立在轨道上，可以移动。所有天线呈Y形排列，每条臂长21公里世界上最大口径射电望远镜，最长组合基线可达36公里。超大阵列隶属于美国国家射电天文台（NRAO）。它建于 1981 年，分为 6 个频段。最高分辨率可达0.05角秒，与大型地基光学望远镜的分辨率相当。这种射电望远镜阵列也经常出现在影视剧中。例如，1997 年著名的科幻电影《接触者》以 VLA 为主角。
注：科幻电影《接触者》的海报，背景是大型天线阵列。
超长基线干涉测量原理是一样的，只是望远镜分布得更远，不能用电缆或光缆连接。相反，信号分别记录在每个站的内存中。而不是普通的时钟，每个站都有自己的时钟，通常使用精度非常高的原子钟，现在可以做到1秒误差1亿年。观测结束后，将观测站的存储设备送到数据处理中心。使用这种方法，只要可以同时看到源，理论上对基线的长度几乎没有限制。当然，在地球上它受到地球大小的限制。
为了突破地球大小的极限，俄罗斯曾于2011年将直径10米的射电望远镜（Spektr-R）发射到太空，形成基线35万公里的干涉阵列，地球上的射电望远镜。用于观察银河系内外的射电源。
图例：VLBA 由 10 根抛物面天线组成，从夏威夷到圣科洛瓦的距离超过 8,000 公里。
目前，基于甚长基线干涉原理的最著名的一种是美国的甚长基线阵列（VLBA），它由位于新墨西哥州索科洛的国家射电天文台阵列操作中心远程控制， 美国。射电望远镜阵列。 VLBA 由 10 根抛物面天线组成，从夏威夷到圣科洛瓦的距离超过 8000 公里，精度是哈勃太空望远镜的 500 倍，是人眼的 60 万倍。
超长基线干涉观测的分辨率是任何其他望远镜都无法比拟的。在天文研究中，观测主题集中在射电喷流、黑洞、射电源演化、银河系和河外微波微波激射源、重力透镜、超新星遗迹、星暴星系附近和远处、微弱的射电源特性和中性氢吸收活跃的星系核。最具启发性的观测是对超大质量黑洞候选者的观测研究，因为黑洞是如此之小。目前最成功的 VLBA 观测有 3 个，分别是银河系中心的超大质量黑洞候选者、椭圆星系 M87 和赛弗特星系 NGC 4258。
超长基线干涉测量技术不仅在天体物理学方面有着广泛的应用，在天体测量、通用测量等领域也有着广泛的应用。
为什么不用光学望远镜观察？
我们知道，人眼能看到的光叫做可见光，它是电磁波谱的一部分，频率从430太赫兹到750太赫兹不等，对应的波长在400纳米到700纳米之间。
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射电望远镜是使用无线电波进行观测的望远镜。无线电波也是电磁频谱的一部分，频率范围从高频的 300 GHz 到低频的 30 Hz，相应的波长范围从 1 毫米到 10,000 公里。在自然界中，闪电会向宇宙物体发射无线电波。
注意：黑洞通常被一层厚厚的气体和尘埃包围
由于星系中心的黑洞被厚厚的星际尘埃和气体阻挡，光学波长的望远镜无能为力，只能使用射电波长。毫米波已经是射电望远镜使用波长的下限，在电磁波谱上已经接近红外线。
望远镜的分辨率主要取决于两个参数，一是使用的波长，二是光圈的大小：对于一定的光圈，波长越短，分辨率越高；对于一定的波长，孔径越大，分辨率越高。
为了能够观察黑洞视界上物质的行为，事件视界望远镜将射电望远镜的分辨率提高到了前所未有的高度，达到了 10 到 20 微弧秒的水平！这相当于在 4000 公里外看到一枚硬币的发行日期。作为对比，人眼的分辨率约为1角秒，哈勃望远镜的分辨率为0.05角秒，这意味着事件视界望远镜的分辨率是哈勃望远镜的数千倍。当然，虽然这台虚拟望远镜的分辨率惊人，但毕竟是由分布广泛的望远镜组成，成像清晰度并不理想。
为什么选择银河系中心和M87星系中心的黑洞作为研究对象？
这次首发的是星系M87的照片。银河系中心黑洞的照片仍在处理中。据悉，在银河系中，人类已经发现了 20 多个恒星质量的黑洞，距离我们 3400 多光年，但为什么不选择这些相对近的黑洞进行观测，而不是选择 26000 光年银河系中心的黑洞和5500万光年外的M87星系中心的黑洞呢？这是因为这些恒星黑洞的质量太小，直径也比较小，所以从地球上看，张角没有更远的超大质量黑洞那么大。
说明：这是钱德拉 X 射线望远镜看到的银河系中心区域。图中标有“SgrA星”的地方就是大黑洞所在的位置。
事件视界望远镜观测到的两个黑洞都是超大质量黑洞。银河系中心黑洞的质量相当于太阳质量的400万倍。视界直径约2400万公里，相当于17个太阳连在一起； M87星系中心黑洞的质量相当于太阳质量的65亿倍，事件视界直径约390亿公里，半径约是冥王星到太阳距离的三倍！为什么两个如此巨大的宇宙怪物看起来仍然如此渺小？虽然黑洞很大，但它们离地球的距离也一样远。银河系中心的黑洞距离地球约26000光年，M87中心的黑洞距离地球约5500万光年。这么远的距离，巨大的黑洞也是一个点，所以需要一台分辨率异常的望远镜。
说明：这是先前由计算机模拟生成的位于星系 M87 中心的黑洞的两种可能外观。
计算表明，要看到银河系中心的黑洞需要 53 微弧秒的角分辨率，而要看到 M87 星系中心的黑洞需要 22 微弧秒的角分辨率，两者都属于事件视界望远镜观测能力范围内的范围。因此，银河系中心黑洞的视直径略大于M87星系中心黑洞的视直径。
说明：从 M87 星系中心射出的喷流可以达到 5,000 光年的长度。科学研究表明，喷流是由一个在中心旋转的巨大黑洞驱动的。
M87 星系中心的黑洞处于非常活跃的状态。一个非常典型的特征是从中心喷射出以近光速运动的射流。喷流的长度可以达到5000光年。科学研究表明，喷流是由一个在中心旋转的巨大黑洞驱动的。
拍摄黑洞的目的是什么？
科学家希望通过对黑洞的直接观测，在更强的引力场环境下检验广义相对论，直接验证事件视界的存在，研究黑洞边缘的吸积和喷流行为，以及基本的黑洞物理学。
图例说明：根据广义相对论模拟的黑洞阴影（中）看起来比较圆，而其他引力理论给出的阴影要么是平的（最左边），要么是长的（最右边）。图中的不对称是由于黑洞的自转造成的。
我们知道，爱因斯坦的广义相对论已经过一次又一次的检验，从星光通过太阳的偏转角度到太空中的引力透镜效应，从光的红移打破白矮星的引力限制到近日点水星进动的异常，从雷达回波的延迟到脉冲星双星发射的引力波轨道周期的缩短等等。但这些测试都没有深入到更极端的引力环境中，比如一个边缘黑洞的事件视界。因此，科学家们利用视界望远镜，直接观察黑洞视界的边缘，看看广义相对论是否仍然有效。
当然，自2015年首次直接探测到黑洞合并引力波以来，已经探测到了10对黑洞和1对中子星碰撞。这些引力波携带的信息也与广义相对论吻合得很好。我们对广义相对论还是很有信心的。
广义相对论预言，物质落入黑洞时发出的部分光子会环绕黑洞边缘，再加上引力透镜效应，会形成一个明亮的光晕，勾勒出中心黑色的轮廓洞，就像一个黑洞的轮廓。
黑洞轮廓的大小和形状可以通过广义相对论的引力场方程来计算，这取决于黑洞的质量和角动量。我们通常说黑洞有“三根毛”，指的是质量、角动量和电荷，但电荷通常被忽略。广义相对论预测黑洞阴影基本上是圆形的，但其他版本的重力预测的形状略有不同。因此，这一次，可以通过直接观察来验证广义相对论。返回搜狐，查看更多
