人類史上首張黑洞照片發(fā)布！

曉查 2019-04-10 21:44:25 來源：量子位

曉查 發(fā)自 紐凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

剛剛，天文學家公布了人類史上首張黑洞照片。這顆黑洞就是M87星系中心的超大質量黑洞，它的質量是太陽的65億倍，距離地球5500萬光年。

上面就是由事件視界望遠鏡（EHT）拍攝的黑洞照片。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一種質量極大的天體，它的引力極強，強到連光線都被吸引無法逃逸。

是一個接近圓形的環(huán)狀結構，黑洞陰影亮的地方和中心黑洞對比度超過10倍，說明這個黑洞是真實的。

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

科學家們早已用理論推測了黑洞的樣子，其中最為大眾所熟知的是《星際穿越》里的“卡岡圖雅”。電影導演克里斯托弗·諾蘭請來了知名天體物理學家基普·索恩，花費一年多的時間，根據(jù)廣義相對論用計算機模擬為我們呈現(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，也會吸進射入它的光線，人類又是如何看見黑洞的？

黑洞雖然是光的“墳墓”，但只有一定范圍內(nèi)光線才無法逃出。這個范圍就是EHT名稱的來源“事件視界”（Event Horizon），“事件視界”之外的光線會被彎曲，但是有幾率逃出黑洞引力的“魔爪”。

另外黑洞強大的引力會讓任何靠近它的物質落入其中，形成像排水孔周圍一樣的漩渦，稱為吸積盤。在這個過程中，氣體因引力勢能得到釋放被加熱到幾百萬度，發(fā)出強烈的光。

在黑洞前方的吸積盤是“卡岡圖雅”的“腰帶”，后方的吸積盤發(fā)出的光線在黑洞引力下扭曲變形，繞過半圈仍然可以被我們看見，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。

細心的你也許會注意到，黑洞吸積盤上下兩側亮度不一樣，這是由于吸積盤中的氣體高速旋轉，根據(jù)多普勒效應，發(fā)光氣體就像手電筒一樣，幾乎只會照亮運動方向的前方，轉向你的一側會較亮，而轉離你的一側會較暗。

另外，黑洞的引力讓后方恒星發(fā)出的光線“折射”，就像一個擋在恒星和地球之間的透鏡，科學家們把它叫做“引力透鏡”。黑洞周圍扭曲的星空也為我們提供了黑洞存在的證據(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，請不要吐槽照片效果太差，為了“沖洗”這張照片，科學家們花費了2年時間，而為了拍攝這張照片，他們把望遠鏡建到世界各地，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，標題是：How to Understand the Image of a Black Hole。

這段總時長9分鐘的視頻，非常形象的解釋了，為什么黑洞的照片會是一個特定的樣子，通俗易懂，在YouTube上已有上百萬的瀏覽。

在量子位公眾號（ID：QbitAI）對話界面，回復：“黑洞”兩個字，即可看到這段講解，推薦觀看。

和地球一樣大的望遠鏡

事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）項目起源于2006年，來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃——給黑洞拍攝一張照片。

這顆黑洞很大，卻很難看清。

這個黑洞雖然尺寸很大，但是它距離我們5500萬光年。EHT負責人Doeleman博士這樣形容：好比你在紐約，去細數(shù)遠在洛杉磯的一個高爾夫球上的凹槽。

即使是哈勃望遠鏡也無法達到這么高的分辨率，需要在原來的基礎上提高1000倍才能看見這顆黑洞。提高分辨率的方法之一是增大望遠鏡的口徑。

為此，科學家們制造了一個口徑和地球一樣大的望遠鏡。準確地說，是一個遍布全球的射電望遠鏡網(wǎng)絡，由8個分布在歐洲、美洲、南極洲的望遠鏡組成。

這八個望遠鏡，分別長成這個樣子。

通過甚長基線干涉測量法（VLBI），這8個望遠鏡的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了相互關聯(lián)，等效于一個口徑和地球一樣大的望遠鏡。

Doeleman博士打了個通俗的比方，如果有人將手指浸入池塘并產(chǎn)生漣漪，沿岸安裝了潮汐測量儀，你可以通過記錄每個波峰到達岸邊的時間來找出漣漪的來源。

如果有兩個手指伸入水中，那么漣漪會相互干涉，有些地方的波動會放大，有些地方的波動會消失。一些潮汐測量儀會測量出特別大的波峰，而另一些會測量出較弱的信號。通過分析這種模式，我們可以知道遠處發(fā)生了什么。

在地球上，科學家們記錄著無線電波到達的信號，并用高精度的原子鐘進行同步。有了來自不同觀測站望遠鏡的數(shù)據(jù)，科學家們就能重建出一幅發(fā)生在數(shù)萬光年之外的圖像。

但是8個望遠鏡的數(shù)據(jù)并不能獲得黑洞的實時圖像。EHT一個晚上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就達到2PB（約2000TB），無法通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，因此不可能實時分析所有觀測站的數(shù)據(jù)。

Doeleman博士開玩笑說，載有硬盤的飛機比網(wǎng)線的帶寬要高得多，科學家們需要把各個地方存有數(shù)據(jù)的硬盤帶到麻省理工和馬普研究所，由超級計算機進行處理。

在EHT發(fā)現(xiàn)黑洞的過程也有中國科學家的參與，中科院上海天文臺是EHT的合作機構之一。2005年，由上海天文臺副臺長沈志強領導的小組，將另一個黑洞候選者人馬座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，科學家們一直在用各種“曲線救國”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)黑洞附近恒星的運動軌跡可以計算出黑洞的質量。自1995年以來，天文學家已經(jīng)跟蹤了90顆恒星的軌道，他們圍繞銀河系中心一個看不見的物體運動。而一個質量巨大的物體被限制在一個極小的范圍內(nèi)，只可能是黑洞。

前面已經(jīng)說過，黑洞吸積盤有X射線和無線電波將噴出。這些明亮的X射線源可以通過望遠鏡檢測到。

另外，兩個黑洞在相互繞著旋轉最后合并成一個黑洞時，會發(fā)出引力波。引力波是一種時空的漣漪，會讓時空產(chǎn)生形變。2015年9月14日，LIGO引力波天文臺首次觀測到了廣義相對論預言的引力波。

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)遲遲沒有找到，今晚這一塊拼圖終于拼上了。

One More Thing：紀念霍金

在廣義相對論提出的100年后，人類用黑洞照片又一次證明了它的正確性。除了愛因斯坦，在黑洞問題上，還有一位物理學家——霍金——做出了許多理論貢獻，他提出的霍金輻射、黑洞無毛定理隨著那本《時間簡史》成為大眾熟知的概念。

2017年4月，人類完成了黑洞照片的拍攝工作，隨后進入了漫長的數(shù)據(jù)處理過程。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，這或許是對霍金最好的悼念。