作為一個有夢想的理工生
一定要有良好的攝影功底
小到用照片記錄實驗現象
大到出門給女朋友拍照
（醒醒你沒有女朋友）
說到拍照
我想起有人曾問過我這樣一個問題
“除了自拍，
你覺得最難拍的東西是什麼？”
我低頭沉思了一會
說道
北京時間 4月10日21點整（今晚9點）
人類首張黑洞照片
即將在全球六地同步發佈
一直“活在傳說中”的黑洞
終於要露真容了
如此重要的時刻
我們將在B站
與神秘嘉賓一起同步直播
暢聊黑洞
還不叫上小夥伴
來“二次元的中科院物理所”的直播間
和我們一同見證
直播間傳送門
最後給大家分享一篇關於EHT拍攝黑洞的文章~
做黑洞研究將近20 年，我常常被人問到“黑洞是什麼樣的”，說實話，我並不確定。除了在論文課件中自制的效果圖，第一次“親眼”看到黑洞形象是2015 年在電影院裡，熒幕上是《星際穿越》中的黑洞“卡岡圖雅”——深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓環——相對論物理學家基普·索恩為影片設計的黑洞形象(圖1)，和想象中的相差無幾。從廣義相對論推知而來的黑洞，就存在於宇宙深處，這一點在21 世紀的今天或已無可置疑。黑洞確鑿地存在於無數觀測數據之中，但我們並不知道它在現實中的真實模樣。
圖1 《星際穿越》中的黑洞。周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤(摘自影片《星際穿越》)
如今，人類終於要為黑洞拍下第一張真正的照片了。就在剛剛過去的4 月5 日—10 日之間，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，利用分佈於全球不同地區的8 個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡，人類或將第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為“視界面望遠鏡”(Event Horizon Telescope， EHT)，其有效口徑尺寸將達到地球直徑大小。
人類在2015 年第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉合併所產生的引力波之聲，如今科學家們又在為親眼目睹黑洞真容而努力。不過，因為視界面望遠鏡要處理的數據量巨大，為黑洞“洗照片”的耗時恐怕有些漫長，黑洞的面貌究竟是否真如作家、藝術家或電影導演所呈現的那般，我們要到2018 年才能知道。
無論我們最終得到的黑洞圖像是什麼樣子——像電影畫面一般壯觀恢弘，或者只有幾個模糊的像素點——視界面望遠鏡都意義非凡，這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結果不僅僅是一張照片那麼簡單，它一方面呼應著愛因斯坦的廣義相對論，一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批“看見”黑洞的人類，真是好運氣！
1無圖無真相，科學家怎麼知道黑洞在那裡？
儘管“黑洞”(black hole)一詞在1968 年才由美國天體物理學家約翰·惠勒提出來，但早在1783 年，英國地理學家約翰·米歇爾(John Michell)便已經意識到：一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。這也是普通人在今天對於黑洞的最基本認識：吸入所有一切，連光都逃不了。
既然想一睹黑洞“芳容”，我們對這個遙遠天體的認識就得再多些。黑洞的幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處，“奇點”在其周圍形成一個強大的引力場，在一定範圍之內，連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”——顧名思義就是視線所能到達的界面。
你大概感到好奇：登山家們勇攀高峰是因為“山就在那裡”，可既然天文學家們根本看不到黑洞，他們是怎麼確定“ 黑洞就在那裡”的呢？
黑洞自身不發光，難以直接探測，大大小小的望遠鏡對於直接觀測遙遠的黑洞力有不逮。科學家們只能夠“曲線救國”，採用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。在某些時候，恆星量級(從3 個太陽質量到100 個太陽質量大小)的黑洞會存在於一個恆星周圍，將恆星的氣體撕扯到自己身邊，產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤，即吸積盤。當吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去，形成噴流。吸積盤和噴流兩種現象(圖2)都因氣體摩擦而產生了明亮的光與大量輻射，所以很容易被科學家探測到，黑洞的藏身之處也就暴露了。
圖2 恆星級黑洞系統示意圖
理論很豐滿，現實很骨感。以銀河系為例，根據理論推算，銀河系中應該存在著上千萬個恆星量級的黑洞，可到目前為止，我們只確認了20 多個黑洞的存在，此外還有四五十個黑洞候選體。要最終真正確認一個天體是否為黑洞，我們還需要做出更多測量與計算。要探測一個從幾十萬個太陽質量到幾十億甚至上百億個太陽質量的超大質量黑洞，挑戰將更大，科學家們為了確認銀河系中心黑洞Sgr A*的存在，著實費了不少力氣。
2望向銀河中心黑洞的視界面，猶如在地球上看月球上的橙子
發現黑洞已如此不易，給它拍照豈不更難？從17 世紀初人類發明望遠鏡至今，天文望遠鏡的口徑已變得越來越大，從最早的2.5 cm 口徑，到目前最大的10 m口徑光學望遠鏡，還有我國貴州的500 m口徑射電望遠鏡(目前正在運行的最大X射線望遠鏡當屬歐洲的XMM-牛頓望遠鏡，但是它的等效口徑也僅僅只有光學波段的30 cm 望遠鏡)，下一代更大口徑的望遠鏡也正在計劃或建設當中，這些望遠鏡無一不凝結了人類的智慧，甚至代表了人類社會的最高科技水平。儘管對於黑洞的觀測已經覆蓋了全波段，從能量較低的射電波段到能量很高的X射線波段，然而要想觀測遙遠黑洞的附近區域，依靠目前任何單個望遠鏡都還遠遠不夠。
因此，在過去10 多年時間裡，麻省理工學院(MIT)的科學家們聯合其他研究機構的科研人員，開展了激動人心的“視界面望遠鏡”項目，全球多地的8 個亞毫米射電望遠鏡將同時對黑洞展開觀測(圖3)。這“八兄弟”北至西班牙，南至南極，它們將向選定的目標撒出一張大網，撈回海量數據，為我們勾勒出黑洞的模樣。這些望遠鏡分別是：(1)南極望遠鏡(South Pole Telescope)；(2)位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA)；(3)位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment)；(4)墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope)；(5)位於美國亞利桑那州的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Telescope)；(6)位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT)； (7) 位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡陣(Submillimeter Array)；(8)位於西班牙的毫米波射電天文所的30 m毫米波望遠鏡。它們多數都是單一望遠鏡，比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡；也有望遠鏡陣列，比如ALMA望遠鏡是由66 個小望遠鏡構成。
圖3 望遠鏡在全球分佈示意圖，紅點代表望遠鏡所在地(摘自nature.com)
視界面望遠鏡此次觀測目標主要有兩個，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位於星系M87 中的黑洞。之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標，是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的。其他黑洞因為距離地球更遠或質量大小有限，觀測難度更大。
Sgr A*黑洞的質量大約相當於400 萬個太陽，所對應的視界面尺寸約為2400 萬千米，相當於17 個太陽的大小。譁，超大！然而……地球與Sgr A*相距2 萬5 千光年(約24億億千米)之遙，這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那麼小，就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。M87 中心黑洞的質量達到了60 億個太陽質量，儘管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因質量龐大，所以它的視界面對我們而言，可能比Sgr A*的小不了太多，也是從地球上看去視界面第二大的黑洞。
38 個望遠鏡同時看到2 個黑洞，每年只有10天窗口期
要想看清楚兩個黑洞視界面的細節，視界面望遠鏡的空間分辨率達到足夠高才行。要多高呢？比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000 倍以上。
科學家們之前可以利用單個望遠鏡實現黑洞周圍恆星位置的測量，但是，相較於恆星與黑洞之間的距離尺度(1 萬億千米)，視界面的尺度太微小了(至少小十萬分之一倍)，因此利用單個鏡面很難完成。這時候，為了增強空間分辨率，我們就需要使用“干涉”技術了，即利用多個位於不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測，最後將數據進行相關性分析之後合併，這一技術在射電波段已相當成熟。在這種情況下，望遠鏡的分辨率取決於望遠鏡之間的距離，而非單個望遠鏡口徑的大小，所以，視界面望遠鏡的分辨率相當於一部口徑為地球直徑大小的射電望遠鏡的分辨率。
在這一視界面望遠鏡進行觀測之前，天文學家們已經利用其中部分毫米望遠鏡對Sgr A*和M87 星系中心黑洞進行了聯合觀測，並得到了一些令人興奮的結果：儘管沒能看清黑洞視界面，但已探測到了黑洞中心區域的輻射。為了增加空間分辨率，以看清更為細小的區域，科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列裡增加了位於智利和南極的望遠鏡。要保證所有8 個望遠鏡都能看到這兩個黑洞，從而達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，留給科學家們的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10 天時間(對於2017年來說，是在4 月5 日—14 日之間；而此次觀測是在剛剛過去的4 月5 日—10 日之間的5 個晚上)。在所有參與觀測的望遠鏡當中，坐落於智利、耗資140 億美金的ALMA毫米望遠鏡(圖4)是最為重要的一個，因為其靈敏度是目前單陣列當中最高的，但它的觀測時間也是最為寶貴的。限於ALMA望遠鏡滿滿的排班表上一系列擁擠的觀測計劃，此次黑洞視界面的觀測只計劃了5 天，其中兩個晚上對銀河系中心黑洞Sgr A*進行了觀測，剩下的時間對星系M87黑洞展開了觀測。
圖4 位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠鏡(來自ALMA官方網站)
儘管中國有很多的射電望遠鏡，但很遺憾的是大多數望遠鏡觀測頻段都不在毫米或者亞毫米波段，僅有的兩個毫米波望遠鏡(位於德令哈的13.7 m毫米望遠鏡和位於西藏羊八井的KOSMA 亞毫米望遠鏡)，也不具有聯網干涉功能，所以沒有直接參與。但是中國還是有著間接貢獻，中國國家天文臺是東亞核心天文臺成員之一，而此次參與觀測的JCMT 望遠鏡就是附屬於東亞核心天文臺。
4
除了黑洞“ 芳容” 幾何，這一觀測還將為我們解答諸多問題為黑洞拍張照片不容易，“洗照片”更是耗時漫長。射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關於黑洞的數據信息，用數據向科學家們描述出黑洞的樣子。
對於之前的干涉儀來說，因為不同望遠鏡之間的距離不會太遠，不同位置的觀測數據通常可以實時比較、合併而後得到圖像，科學家們是有可能實時在屏幕上看到圖像的。但對於此次跨越南北半球的視界面望遠鏡觀測，因其所涉及的站點區域非常廣闊，所產生的數據量將十分龐大。視界面望遠鏡每一個晚上所產生數據量可達2 PB(1 PB=1024 TB=1048576 GB)， 和歐洲大型質子對撞機一年產生的數據量差不多。考慮到有些區域(比如南極) 的數據傳輸速度相對較慢，科學家們在觀測時不會對各個站點的數據進行實時相關分析，因此更不可能在屏幕上看到黑洞的實時圖像。在每一個觀測中心，科學家們將利用提前校對好的原子鐘時間，對每一個電磁波到達的時間進行分別標定和存盤，等到觀測結束之後再彙總比較。
在觀測結束之後，各個站點收集的數據將被彙集到兩個數據中心(美國麻省理工學院Haystack 天文臺和德國波恩的馬普射電所；南極的數據要等到10 月份也就是其冬天結束之後才能夠被運送回來)。在那裡，大型計算機集群將會對數據時間進行合併與分析，從而產生一個關於黑洞的圖像。這一分析所需的時間少則半年，長則一年。即便是最樂觀的情況，我們也要等到2018年初才能“看見”黑洞了。
萬事俱備，只欠東風。設備準備就緒之後，剩下一個非常重要的因素，就是天氣以及觀測時間。由於大氣中的水對這一觀測波段的影響極大，要想視界面望遠鏡順利觀測，需要所有8 個望遠鏡所在地(從夏威夷到智利，從墨西哥到南極)的天氣情況都非常好。目前這些望遠鏡所在之處通常都是海拔較高，另外降雨量也是極少，所以全部晴天的概率其實非常高。儘管毫米波的觀測在白天也可以進行，考慮到視界面附近的輻射極其微弱，在白天太陽的照射下，大氣中的水汽會在一定程度上增加，從而導致吸收增強，所以為了降低吸收和增強靈敏度，此次視界面的所有觀測都是在晚上進行。
當所有數據被合併，最終得到圖像時，包括我在內的天文學家們希望看到這樣一副圖像：一個黑色的圓盤，被一個非常靠近黑洞視界面、很亮的光子圓環所圍繞；因為黑洞轉動的多普勒效應，光子圓環一側較亮，另外一側較暗(圖5)。視界面望遠鏡的觀測對於科學研究有著非常重大的意義。天文學家們希望能夠通過這一觀測結果，對愛因斯坦的廣義相對論做出最為嚴格的限制。與此同時，黑洞圖像將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。當然，這是科學家心中的理想圖景，實際得到的黑洞圖像可能要差很多。但無論最終的圖像如何，即便是隻能夠看到幾個像素，此次視界面望遠鏡的觀測也將是人類黑洞觀測史上的重要一步。我們是何其幸運，將成為宇宙中第一批親眼看到黑洞的碳基生物。
圖5 視界面望遠鏡可能得到的計算機模擬黑洞圖像。由於黑洞的轉動效應，黑洞左側較亮(摘自《科學》雜誌網站)
本文選自《物理》2017年第11期
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