人類(lèi)史上首張黑洞照片發(fā)布！

曉查 2019-04-10 21:44:25 來(lái)源：量子位

曉查 發(fā)自 紐凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

剛剛，天文學(xué)家公布了人類(lèi)史上首張黑洞照片。這顆黑洞就是M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍，距離地球5500萬(wàn)光年。

上面就是由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）拍攝的黑洞照片。

黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一種質(zhì)量極大的天體，它的引力極強(qiáng)，強(qiáng)到連光線都被吸引無(wú)法逃逸。

是一個(gè)接近圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，黑洞陰影亮的地方和中心黑洞對(duì)比度超過(guò)10倍，說(shuō)明這個(gè)黑洞是真實(shí)的。

今天之前，人類(lèi)已經(jīng)找到了黑洞存在的諸多證據(jù)，3年前我們還聽(tīng)到了來(lái)自黑洞合并發(fā)出的“聲音”，但黑洞究竟長(zhǎng)啥樣卻只能靠猜想。

科學(xué)家們?cè)缫延美碚撏茰y(cè)了黑洞的樣子，其中最為大眾所熟知的是《星際穿越》里的“卡岡圖雅”。電影導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭請(qǐng)來(lái)了知名天體物理學(xué)家基普·索恩，花費(fèi)一年多的時(shí)間，根據(jù)廣義相對(duì)論用計(jì)算機(jī)模擬為我們呈現(xiàn)了這樣一幅景象。

如何理解黑洞照片

既然黑洞不能發(fā)出光線，也會(huì)吸進(jìn)射入它的光線，人類(lèi)又是如何看見(jiàn)黑洞的？

黑洞雖然是光的“墳?zāi)埂?，但只有一定范圍?nèi)光線才無(wú)法逃出。這個(gè)范圍就是EHT名稱(chēng)的來(lái)源“事件視界”（Event Horizon），“事件視界”之外的光線會(huì)被彎曲，但是有幾率逃出黑洞引力的“魔爪”。

另外黑洞強(qiáng)大的引力會(huì)讓任何靠近它的物質(zhì)落入其中，形成像排水孔周?chē)粯拥匿鰷u，稱(chēng)為吸積盤(pán)。在這個(gè)過(guò)程中，氣體因引力勢(shì)能得到釋放被加熱到幾百萬(wàn)度，發(fā)出強(qiáng)烈的光。

在黑洞前方的吸積盤(pán)是“卡岡圖雅”的“腰帶”，后方的吸積盤(pán)發(fā)出的光線在黑洞引力下扭曲變形，繞過(guò)半圈仍然可以被我們看見(jiàn)，形成了黑洞上下方的光環(huán)，于是就有了“卡岡圖雅”那樣特殊的圖像。

細(xì)心的你也許會(huì)注意到，黑洞吸積盤(pán)上下兩側(cè)亮度不一樣，這是由于吸積盤(pán)中的氣體高速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，發(fā)光氣體就像手電筒一樣，幾乎只會(huì)照亮運(yùn)動(dòng)方向的前方，轉(zhuǎn)向你的一側(cè)會(huì)較亮，而轉(zhuǎn)離你的一側(cè)會(huì)較暗。

另外，黑洞的引力讓后方恒星發(fā)出的光線“折射”，就像一個(gè)擋在恒星和地球之間的透鏡，科學(xué)家們把它叫做“引力透鏡”。黑洞周?chē)で男强找矠槲覀兲峁┝撕诙创嬖诘淖C據(jù)。

今晚的照片顯然不能和《星際穿越》中壯觀的效果相比擬。但是，請(qǐng)不要吐槽照片效果太差，為了“沖洗”這張照片，科學(xué)家們花費(fèi)了2年時(shí)間，而為了拍攝這張照片，他們把望遠(yuǎn)鏡建到世界各地，甚至是寒冷的南極洲。

Veritasium于4月9日在YouTube上發(fā)布了一段視頻，標(biāo)題是：How to Understand the Image of a Black Hole。

這段總時(shí)長(zhǎng)9分鐘的視頻，非常形象的解釋了，為什么黑洞的照片會(huì)是一個(gè)特定的樣子，通俗易懂，在YouTube上已有上百萬(wàn)的瀏覽。

在量子位公眾號(hào)（ID：QbitAI）對(duì)話界面，回復(fù)：“黑洞”兩個(gè)字，即可看到這段講解，推薦觀看。

和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡

事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）項(xiàng)目起源于2006年，來(lái)自全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家們開(kāi)展了一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測(cè)計(jì)劃——給黑洞拍攝一張照片。

這顆黑洞很大，卻很難看清。

這個(gè)黑洞雖然尺寸很大，但是它距離我們5500萬(wàn)光年。EHT負(fù)責(zé)人Doeleman博士這樣形容：好比你在紐約，去細(xì)數(shù)遠(yuǎn)在洛杉磯的一個(gè)高爾夫球上的凹槽。

即使是哈勃望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法達(dá)到這么高的分辨率，需要在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高1000倍才能看見(jiàn)這顆黑洞。提高分辨率的方法之一是增大望遠(yuǎn)鏡的口徑。

為此，科學(xué)家們制造了一個(gè)口徑和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡。準(zhǔn)確地說(shuō)，是一個(gè)遍布全球的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，由8個(gè)分布在歐洲、美洲、南極洲的望遠(yuǎn)鏡組成。

這八個(gè)望遠(yuǎn)鏡，分別長(zhǎng)成這個(gè)樣子。

通過(guò)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法（VLBI），這8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了相互關(guān)聯(lián)，等效于一個(gè)口徑和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡。

Doeleman博士打了個(gè)通俗的比方，如果有人將手指浸入池塘并產(chǎn)生漣漪，沿岸安裝了潮汐測(cè)量?jī)x，你可以通過(guò)記錄每個(gè)波峰到達(dá)岸邊的時(shí)間來(lái)找出漣漪的來(lái)源。

如果有兩個(gè)手指伸入水中，那么漣漪會(huì)相互干涉，有些地方的波動(dòng)會(huì)放大，有些地方的波動(dòng)會(huì)消失。一些潮汐測(cè)量?jī)x會(huì)測(cè)量出特別大的波峰，而另一些會(huì)測(cè)量出較弱的信號(hào)。通過(guò)分析這種模式，我們可以知道遠(yuǎn)處發(fā)生了什么。

在地球上，科學(xué)家們記錄著無(wú)線電波到達(dá)的信號(hào)，并用高精度的原子鐘進(jìn)行同步。有了來(lái)自不同觀測(cè)站望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們就能重建出一幅發(fā)生在數(shù)萬(wàn)光年之外的圖像。

但是8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)并不能獲得黑洞的實(shí)時(shí)圖像。EHT一個(gè)晚上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就達(dá)到2PB（約2000TB），無(wú)法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，因此不可能實(shí)時(shí)分析所有觀測(cè)站的數(shù)據(jù)。

Doeleman博士開(kāi)玩笑說(shuō)，載有硬盤(pán)的飛機(jī)比網(wǎng)線的帶寬要高得多，科學(xué)家們需要把各個(gè)地方存有數(shù)據(jù)的硬盤(pán)帶到麻省理工和馬普研究所，由超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

在EHT發(fā)現(xiàn)黑洞的過(guò)程也有中國(guó)科學(xué)家的參與，中科院上海天文臺(tái)是EHT的合作機(jī)構(gòu)之一。2005年，由上海天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的小組，將另一個(gè)黑洞候選者人馬座A *的位置縮小到1.5億公里的區(qū)域內(nèi)。

在EHT公布照片之前的幾十年，科學(xué)家們一直在用各種“曲線救國(guó)”的手段苦苦尋找黑洞存在的證據(jù)。

找到黑洞存在的證據(jù)

根據(jù)黑洞附近恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡可以計(jì)算出黑洞的質(zhì)量。自1995年以來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)跟蹤了90顆恒星的軌道，他們圍繞銀河系中心一個(gè)看不見(jiàn)的物體運(yùn)動(dòng)。而一個(gè)質(zhì)量巨大的物體被限制在一個(gè)極小的范圍內(nèi)，只可能是黑洞。

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，黑洞吸積盤(pán)有X射線和無(wú)線電波將噴出。這些明亮的X射線源可以通過(guò)望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到。

另外，兩個(gè)黑洞在相互繞著旋轉(zhuǎn)最后合并成一個(gè)黑洞時(shí)，會(huì)發(fā)出引力波。引力波是一種時(shí)空的漣漪，會(huì)讓時(shí)空產(chǎn)生形變。2015年9月14日，LIGO引力波天文臺(tái)首次觀測(cè)到了廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波。

但以上兩種都是黑洞存在的間接證據(jù)，黑洞照片這一直接證據(jù)遲遲沒(méi)有找到，今晚這一塊拼圖終于拼上了。

One More Thing：紀(jì)念霍金

在廣義相對(duì)論提出的100年后，人類(lèi)用黑洞照片又一次證明了它的正確性。除了愛(ài)因斯坦，在黑洞問(wèn)題上，還有一位物理學(xué)家——霍金——做出了許多理論貢獻(xiàn)，他提出的霍金輻射、黑洞無(wú)毛定理隨著那本《時(shí)間簡(jiǎn)史》成為大眾熟知的概念。

2017年4月，人類(lèi)完成了黑洞照片的拍攝工作，隨后進(jìn)入了漫長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。2018年3月14日，霍金突然逝世。

今天，第一張黑洞照片終于發(fā)布，這或許是對(duì)霍金最好的悼念。