時空通訊

2019年4月10日，世界上第一張黑洞照片誕生了。這個工程稱為“事件視界望遠鏡EHT”，它凝聚了無數科學家的心血。拍攝過程中，人們調集了世界上八臺射電望遠鏡，數據處理經過兩年之久。這當然是一張真實的照片。

黑洞連光都能吸進去，為什麼還能拍照片呢？拍一張照片為什麼要花費2年的時間呢？讀一讀本文，你將會了解這些內容。

瑞利判據

首先，需要給大家介紹一下望遠鏡的基本原理。要看清遠處的物體發出的光需要兩個條件：足夠的光強和足夠大的角度。

物體發出的光線經過眼角膜和晶狀體折射後，會在視網膜上成像。如果光強太弱，進入眼睛的光子不夠，就不足以使視神經產生反應，所以我們首先需要將遙遠物體發出的光進行收集和加強，這就需要望遠鏡。

其次，物體不同部位發出的光會彼此成一定角度，在視網膜上成像也不是兩個點，而是兩個光斑，稱為愛裡斑，這是由於衍射原因造成的。

假如兩條光線的夾角太小，光斑距離就會特別近，如果它們的圓心距離小於半徑，我們的眼睛就無法區分它們了。看起來兩條光纖重合，發光物體就變成了一個點。

英國卡文迪許實驗室主任、第三代瑞利男爵仔細研究了這個問題。

他指出：只有兩條光線之間的夾角θ與衍射孔徑D和光的波長λ滿足入下關係時，光線才是可分辨的

這個關係稱為瑞利判據。

例如：人的眼睛對550nm的綠光最為敏感，虹膜直徑大約5mm，這樣一來人的眼睛最小可分辨角為

如果光線夾角小於這個值，我們就無法分辨它們。遙遠的星星不同部位發出的光進入眼睛時夾角太小，所以大部分的星星看起來都是一個點。為了增大這個角度從而看清遠處物體的結構，我們也需要望遠鏡。

望遠鏡

幾百年前，人類就開始製作望遠鏡了。比如，伽利略就製作了一臺可以放大33倍的望遠鏡，並用它觀察到了月球表面的環形山和木星的衛星。

伽利略的望遠鏡使用了一個凸透鏡和一個凹透鏡。凸透鏡的焦距長，凹透鏡的焦距短，並讓二者共焦點。平行光線進入物鏡後向焦點匯聚，但是到達焦點之前被凹透鏡恢復成平行光，實現了寬平行光變為窄平行光，光線被加強了。同時，如果入射光原本相對於眼睛的夾角比較小，經過望遠鏡后角度會被放大，於是人的眼睛就可以分辨了。

天文學家開普勒也發明了自己的望遠鏡，開普勒式望遠鏡使用的是兩個凸透鏡，也讓他們共焦點，它也能夠實現光線的加強和角度的放大。所不同的是，開普勒式望遠鏡所成的是倒像，但是這對於天文觀測來講並沒有帶來太大的麻煩。

折射式望遠鏡的缺點在於存在視差，有時候會模糊不清。為了克服這個缺點，牛頓發明了反射式望遠鏡。

它通過一個凹形反光面收集光線，再利用平面鏡反射和凸透鏡會聚實現光強和角度的放大。

不過，無論是折射式望遠鏡，還是反射式望遠鏡，都存在一個問題：它的觀察通過肉眼和可見光進行，可見光的波長短，容易被大氣散射，到達地面上的光微弱而不穩定。如何解決這個問題呢？人們有兩種方法：

第一，既然大氣散射造成了這個問題，那麼就到大氣外面裝一個望遠鏡好了。於是哈勃望遠鏡問世了。人們躲開了大氣的散射，看到了許多從未見到的景象。

第二，既然可見光會被大氣散射，我們還可以使用波長較長的紅外線或微波進行觀測，它們更容易穿透大氣層。於是，人們就發明了射電望遠鏡，它的基本原理與牛頓的反射式望遠鏡類似，只不過使用的電磁波是紅外或微波。宇宙中許多物質發光並不是可見光，只有通過射電望遠鏡才能觀察到它們。

甚長基線干涉技術VLBI

無論是眼睛、光學望遠鏡還是射電望遠鏡，都要滿足瑞利判據。而且，根據瑞利判據，最小分辨角θ=1.22λ/D，射電望遠鏡使用的電磁波波長λ比可見光更大，此時必須增大它的口徑D，才能分辨出很小的角度。所以世界各國都在爭向建設大口徑的射電望遠鏡。例如中國貴州建設的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），工作波長在0.1m左右，口徑達到了500米。這麼大面積的射電望遠鏡可以匯聚宇宙中微弱的電磁波，同時也可以分辨更小的角度。

如果用FAST觀察黑洞，能不能做到呢？

比如，我們這次拍照片的黑洞是室女座的M87中心黑洞，它的直徑大約1000億公里，距離我們5500萬光年。

經過計算我們可以得出肉眼觀察時黑洞張角

顯然，這麼小的角度用肉眼是肯定分辨不開了。觀察黑洞的射電望遠鏡工作波長大約λ=1.3mm，我們將角度和波長代入瑞利判據，可以得到望遠鏡口徑的最小值：

也就是說，這個望遠鏡的口徑至少要8000公里！地球的半徑只有6400公里，怎麼去建設這麼大的望遠鏡呢？

科學家總有辦法。既然一個望遠鏡達不到這麼大口徑，我們可不可以使用多個望遠鏡達到這個目的呢？

比如，一個望遠鏡口徑不夠，我們可以用兩個相距一定距離的射電望遠鏡組成網絡，它就相當於一個“鏤空”的反射式望遠鏡。這樣二者之間的距離就相當於“鏤空”望遠鏡的口徑了。

按照這個思路，人們組織世界各地的射電望遠鏡組成了“甚長基線干涉望遠鏡網絡”VLBI，把地球變成了一個巨大的反射式望遠鏡。

不僅如此，科學家們還設想：如果伴隨著地球圍繞太陽的公轉，這個VLBI的虛擬望遠鏡口徑甚至可以達到地球的公轉軌道那麼大，我們終於能夠看到更加遙遠的宇宙了。

第一張黑洞照片

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，用以解釋宇宙。很快，科學家史瓦西就根據愛因斯坦的相對論計算出了一個特殊的解，這就是假如天體的質量足夠大，就連光都無法逃脫，就會形成黑洞。

愛因斯坦的結論到底對不對呢？一百年來，人們驗證了愛因斯坦的質能方程、狹義相對論和弱引力場中的廣義相對論，發現愛因斯坦總是對的。可是在黑洞這種強引力場中，廣義相對論正確不正確，還沒有證實。人們迫切需要一張黑洞的照片，去進一步證實愛因斯坦的結論。

在這樣的背景下，2012年，天文學家們在美國亞利桑那州開會，決定組織一批世界不同地區的射電望遠鏡，使用VLBI技術對銀河系中心黑洞和室女座M87中心黑洞進行觀測，這裡面甚至包含了南極洲的望遠鏡。人們把這個項目命名為事件視界望遠鏡EHT。

2017年4月，EHT項目對兩個目標進行了持續十天的觀測。為了保證同步，每一個射電望遠鏡都配備了精密的原子鐘。數據記錄下來的數據有10PB那麼大，大約相當於一萬塊1T硬盤的容量。許多天文臺並沒有網絡，這些數據被裝在特製的硬盤裡，送到了美國的麻省理工學院和德國的馬克思普朗克射電所。值得一提的是，由於南極洲有禁飛期，這些數據等了好幾個月才從南極運出來。

處理這些數據花了兩年的時間。因為原本人們並不知道黑洞是什麼樣子的，需要通過海量的數據通過一些方法還原到圖像。這就好像公安局的畫手通過受害者的描述給罪犯畫像一樣，如果一個畫手畫，他可能會往自己心中罪犯的形象傾斜，不能保證客觀。於是，世界上多個小組針對數據開展了自己的還原計劃，直到所有人的結果都一致了，黑洞照片才能真正與大家見面。

（微波是肉眼不可見的，這張照片的顏色是人工渲染的。）

還有一個小問題要解釋一下。黑洞連光鬥吸引的進去，我們是如何看到它的呢？

實際上，所有有質量的物體，都會造成一個引力勢阱，地球就是在這個引力勢阱周圍運動。因為太陽的質量不夠大，所以引力勢阱不夠深，只要物體以光速運動，就一定能脫離太陽的引力。

但是，黑洞的質量太大了，它的引力勢阱也非常深。在它附近有一個範圍稱為視界，世界外面的光還是可以逃脫黑洞的引力，而世界裡面的任何物體都無法逃脫，只能向著中心點——奇點運動。

在黑洞附近的恆星由於受到黑洞巨大的引力作用，有些物質會被黑洞吸引。這些物質會圍繞著黑洞運動，稱為吸積盤。而且，在它們向著黑洞運動的過程中，速度越來越快，溫度約來越高，就會發出電磁波，這就是我們拍攝到的黑洞照片：視界外面的吸積盤。

有些黑洞由於磁場的影響會將等離子體向著垂直吸積盤的方向噴射出去，就形成了噴流。M87的噴流有幾千光年之遠，非常壯觀，這在之前就已經被哈勃望遠鏡拍攝到了。

一張模糊的黑洞照片，凝聚了成千上萬科學家的心血。人們通過數年時間，在高科技設備的幫助下，再次印證了愛因斯坦的廣義相對論。一百年前，在沒有哈勃望遠鏡和射電望遠鏡的時候，愛因斯坦就知道答案了。

李永樂老師

昨天所發佈的第一張黑洞照片，是真正的視覺照片，而不是模擬圖。不過要知道的是，這並非可見光照片，而是紅外區域的光波成像，也就是紅外線照片。我們人類的眼睛看不到這種波長的光線，而且到達地球的光強度也很弱（光子數量少），需要通過長時間、多次曝光，並且由計算機進行加強，得到了一張我們能看到的照片。——有攝影經驗的朋友知道，在夜晚拍靜物，經過多次曝光，或者增加曝光時間，夜間拍攝的靜物就像很亮一樣。

黑洞第一張視覺照片，超大質量黑洞M87中心（2019.4.10 21:00發佈）

另外，這張照片是基於8臺分佈在世界不同地方的望遠鏡拍攝的數據，採用干涉算法計算出來，重新形成的圖像，但這仍然是基於真實數據，而不是模擬圖。下圖就是計算完成度逐漸增加的過程中得到的不同圖像，100%完成就是昨天發佈的照片。

看一下圖下面的說明：光溫（10的9次方開爾文），就是說這個黑洞的吸積盤有10億攝氏度！氫彈爆炸的核心是1-2億攝氏度，太陽的核心溫度也只有1500萬攝氏度。

事實上，我們看到的大多數深空星系照片，比如哈勃的很多照片，都是紅外照片，因為這些星系或星際物質離我們實在太遙遠了，加上宇宙膨脹產生的紅移效應，這些星系本來發出的可見光已經被拉長為紅外光波。這個紅移的過程如果用肉眼看起來，就是越來越紅、越來越暗，直至看不見（雖然看不見，但紅外線還存在，而且波長還在繼續被拉長。）人雖然看不見紅外線，但是能感覺到一部分波長的紅外線，那種感覺就是——熱。即使在接近絕對零度的低溫下也有紅外線，比如宇宙大爆炸的熾熱仍遺留於我們周圍，只不過波長已經被拉得很長（7.35釐米）（這次首張黑洞照片的光波長是1.3毫米），它以“宇宙微波背景輻射”的方式存在於宇宙每個角落，溫度只有零下270.15攝氏度（3開爾文）。

那麼，題主問黑洞視界應該是球形，為什麼照片、模擬圖、想象圖都是盤形的？

首先，理論上靜止黑洞是完美的球形，而黑洞基本都有自轉，而且速度異常之快，約為光速的22%。由於離心力作用，所以是赤道略寬，南北極略窄的橢球體。

其次，從黑洞照片或者模擬圖上顯示的盤狀物，是吸積盤。吸積盤不是黑洞釋放出來的光，而是黑洞在吞噬周圍的恆星或其他物質時產生的。這些星體在被黑洞捕獲前都有自己的速度和運動方向，所以很少是直接掉入黑洞（除非運動方向剛好指向黑洞中心），而是和黑洞自轉方向一致地繞著黑洞旋轉，並慢慢墜入黑洞，這個過程往往很漫長。由於這些被捕獲的物質越接近黑洞就被加速得越快，溫度也就慢慢升高，發出熾熱的光，比如我們這種黑洞照片上的溫度就有10億攝氏度。另外，由於這些物質高速旋轉，由於離心力的作用會形成圓盤狀，而不是球狀，所以被稱為“吸積盤”。

下圖是一張模擬圖，很準確，黑洞是近似球形，外面是扁平並快速環繞黑洞的高溫吸積盤。

所以大多數星系也是盤狀，太陽系各大行星的公轉軌道面也是一個盤狀，這就是早期星盤發展而來的，早期星盤中間是球狀的太陽，外面是盤狀塵埃和氣體雲，很像是黑洞和吸積盤。

所以黑洞照片和黑洞模擬圖畫的都是對的。

另外要說明的是，這張M87星系中心超大質量黑洞的照片，不是“正面照”，而是“側面照”，有點像土星的這個姿勢。

黑洞照片亮的地方，是吸積盤向我們運動的方向，照片裡暗的地方，是吸積盤遠離我們的方向，我們自行想象一下它的自轉方向。

中間的黑色區域就是球狀的黑洞視界，外面是旋轉的吸積盤，傾斜的朝向我們，像是土星一樣。

大家自行腦補吧！

易就是簡單

很顯然，2019年4月10日在中國上海、臺北以及美國華盛頓、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比、日本東京同步直播的關於“事件視界望遠鏡項目”重要成果發佈會上所公佈的M87*黑洞照片被認為是人類迄今為止所拍得的黑洞的“真實容貌”，因此可以肯定的是在此之前所有的黑洞照片都是根據愛因斯坦廣義相對論和德國天文學家史瓦西所提出的史瓦西半徑推算等的。

不過由於M87星系黑洞距離地球約5500萬光，也就是說從該黑洞所發出的“光”要5500萬年才能傳到地球，因此這張照片也是該黑洞5500萬年前的樣子，至於現在是什麼模樣，只能再過5500萬年才能知曉，或者隨著人類科技的發展對黑洞的形成和演化也將進一步加強，會出現一些較為接近黑洞“實況”的電腦模擬影像。

前面我們講到了黑洞具有體積無限小、質量和密度無限大、時空曲率無限高、熱量無限大等特點，它是時空曲率大到光都無法逃脫的天體，既然是天體，那麼在它高速自轉的過程中肯定就越來越像個“球”（類似於星球），因此有黑洞不是“洞”也不是一個簡簡單單的平面之說。

既然黑洞是個球形為何以“洞”相稱呢？這其實是與它自身不發光的表象以及人類對它的推理和觀測手段等有關係，畢竟從遠距離看只能看到黑洞的一面，就如同我國古代將月球稱為“玉盤”，因為月球確實只有一面對著地球，而對月球認識的加深也是隨著近現代以來所發射的一系列月球軌道衛星和登月才逐步實現的。

而且就如同水星無水卻叫水星、火星無火卻叫火星以及地球海洋麵積大於陸地面積卻仍然叫地球一樣，它是歷史上世界各民族觀天象時所逐步形成的並且為了科學研究而“約定俗成”的名稱，相信如果直觀的將地球稱為“水球”，而將黑洞稱為“黑球”，不僅會很彆扭，可能還會存在一些歧義或者鬧出笑話吧，因為煤球就是“黑球”啊！

不過，黑洞並非是永久存在的極端天體，它總有滅亡的一天。由於黑洞蒸發（霍金輻射）的存在，大量質子逃脫黑洞的束縛，其結果之一是最後會爆炸消失，而由於黑洞的爆炸所形成的塵埃和動能是形成恆星等天體的必要物質和能量。

以上小地這樣解釋，你滿意嗎？歡迎留言評論！

地理那些事

總體來說看了直播之後，這次所謂的“黑洞照片”似乎是為了讓這兩年沒有太大里程式科研成果的物理學界能夠受到公眾視野的一些關注，不過起碼說明到目前為止愛因斯坦《相對論》依然是正確的。

在今晚（2019年04月10日）九點之前，大家看到所有黑洞照片是虛構出來的，都是通過電腦模擬出來經過藝術加工。但在這之後你將看到首張真實黑洞照片，準確來說是黑洞的“事件視界”照片。

上面就是首張觀測到的黑洞“事件視界”照片，黑洞裡面是怎樣的仍然需要科學家們繼續努力。這張照片背後的數據是2017年科學家們用時5天，通過射電望遠鏡觀測到銀河系中心人馬座A*的觀測結果。觀測數據從收集完畢到分析完成歷時近一年左右，才將黑洞的“事件視界”照片解析完成並公佈於眾。

科學家通過觀測“事件視界”的意義在於驗證了愛因斯坦廣義相對論和為以後觀測黑洞提供了有力證據。大家都知道廣義相對理論中把引力場視為成時空的彎曲，當一個質量足夠大（差不多是太陽數十萬倍到億倍之間）的恆星坍縮到足夠緻密時，其引力場會使時空極端扭曲，任何東西都無法逃逸出其“事件視界”區域，這連光都做不到。而且黑洞也不會發射出電磁波，所以根本無法直接觀測拍攝到黑洞（霍金輻射除外，但是到現在還沒觀測到）。

天文科學家想到通過“事件視界”現象來實現黑洞觀測。因為物質進入黑洞的事件視界時，由於接近光速的運動速度會發出強烈幅射，所以通過這一過程的影像記錄可以對黑洞進行描邊。實現這一觀測任務就是事件視界望遠鏡（EHT）。

幾乎所有星系中心都是黑洞，包括太陽系所在銀河系中心的人馬座A*就是一個黑洞。EHT觀測的目標有兩個:銀河系中心黑洞、室女A星系中心黑洞，因為這兩個黑洞在地球上最好觀察；觀測波長選定為1mm，因為這個波長電磁波受到氣體干擾最小；然後利用地球上各地的射電望遠鏡來組成一個觀測網絡，通過干涉測量法來收集從銀河系中心傳遞過來的平面狀電磁波信號。

科學家將這些望遠鏡收集到的數據集成，通過超級計算機計算生成出黑洞的事件視界的圖像。由於觀測過程產生的紀錄數據量龐大，所以通過硬盤收集並非網絡，故最後將觀測數據送到美國和德國分析記錄是一件並非容易之事。

這個凝聚了全球30個研究所，200多位天位學家，幾十個全球射電望遠鏡耗時兩年的研究項目，最終就得到一張黑洞“事件視界”照片。微微風簇浪，散作滿河星。宇宙之大，又豈是大地之物能能形容的。天高地迥，覺宇宙之無窮。期待科學家們更多發現！

EmacserVimer

這次人類首次對黑洞有了新的認知，可以說黑洞終於不“黑”了！也讓我們看到了這種奇異宇宙天體的外觀畫面。為了獲取黑洞圖片，全球各地8臺大型望遠鏡組成的“視界望遠鏡”，終於拍到了距離地球大約5400萬光年外的M87星系核心的一個超大質量黑洞。至少可以說愛因斯坦的黑洞理論依然正確，廣義相對論經受住了所有的嚴格檢驗。

那麼問題是現在看到的黑洞圖片是真實的黑洞照片還是想象圖？根據這次的新聞來看，此次視界望遠鏡所拍攝的，其實也就是黑洞的黑色邊緣。所以我們永遠不能奢望拍攝到黑洞內部的畫面，除非你哪天自己進到裡面去。

科技之窗

對於黑洞，你瞭解多少？

黑洞是什麼

中國日報網4月10日電 北京時間4月10日21時，一場全球新聞發佈會將在中國上海和臺北、美國華盛頓、日本東京、比利時布魯塞爾和智利聖地亞哥同時召開。發佈會上，有一張全球200多位科學家們用八個望遠鏡（陣）合力拍攝、並“沖洗”了兩年的神秘照片將與公眾見面。

這張照片將是人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。100年來，黑洞理論的研究一直是理論物理中的前沿課題。

新華社報道稱，全球科學家們實際上嘗試觀測的就是黑洞的“事件視界”。 2017年的4月5日到14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八個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡，讓人類第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope， EHT），其有效口徑尺寸將達到地球直徑大小。

揭開黑洞神秘面紗

包大人玩科學

此圖能證明愛因斯坦總是有理

滬生泉

黑洞落實了？何方神聖給落實的？黑洞目前都沒“出孃胎”，怎麼還出了照片？還平面，還球型？上帝他老人家發來的照片？

我認為你拿到的照片，或看到的論文，應該是博士們寫的，為了畢業不擇手段“胡造”，反正沒人能驗證的了。就像現在炸論、弦論給宇宙和物質開的“藥方"一樣，騙你沒法商量！

黑洞到目前為止還是“人造天體”，根據引力的屬性將物質由星雲，一直“凝聚”到黑洞級別，而且從初級的“嬰兒”黑洞，到“老年”黑洞，長出奇點的黑洞。目前黑洞的生成、發展機理沒有“辯證路線”，黑洞是“一根筋”地，“一路黑到底”，成長成奇點型黑洞，然後就不知然後了。現在有“專家”“編輯”奇點後的故事：宇宙成了一個奇點型大黑洞，然後不知是不是上帝點了火，然後奇點爆炸了，宇宙又開始膨脹了。

現在整個“神教界”藉著“黑洞的力量”，讓上帝、鬼神、玉皇大帝、佛祖，全“復活”了。

黑洞這種天體還有許多研究的地方。人類需要慢慢整合，將宇宙的起源、黑洞機制、引力、量子力學、電磁力、廣義相對論等慢慢地、逐漸地整合到一起。

譚宏21

其實也就是那麼一個圖影，它是什麼物質結構誰也搞不清楚是固體天體還是氣壯天體還是液體等，到目前還不能確定，我認為應該是液態天體，因為它受宇宙中某種物質的限制，實行結近或達到或超光速的旋轉，由於體積太大無比，所以它的吸力或引力也大無比，比方，太平洋的水以光速左右旋轉，地球上的物體能去太平洋中間嗎，至於光能不能形變，通過黑洞(它是不是黑洞還是什麼我們暫不理它)我們可以想像出光是可以形變，比方，用一個大型風煽吹黑煙就可以看出風把罷煙吹成鏍旋壯，因為吹的風超過了煙速，所以黑煙就被風吸引成鏍旋壯，如果是黑洞的吸力或引力只要超了光速，那麼光也同樣跟羆煙一樣隨著吸力或引力形變

納米藝文

和中國太極圖一樣

關鍵字: 照片 科學 天文