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4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）在全球6地方同步發(fā)布人類有史以來(lái)獲得的首張黑洞照片，照片是由分布在全球各地的射電望遠(yuǎn)鏡組成的虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列共同完成的。

在正式看到黑洞照片之前，先讓我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下關(guān)于黑洞的背景知識(shí)。

黑洞是什么？

理論上，黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強(qiáng)引力使得光也無(wú)法逃脫它的勢(shì)力范圍，該勢(shì)力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界（event horizon）。

宇宙中，根據(jù)質(zhì)量天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍-上百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。

為什么要研究黑洞？

黑洞就在宇宙中，等著我們?nèi)パ芯?。列舉幾個(gè)有意思的理由：

第一，在我們居住的銀河系中中心就有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大約400多萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量。

第二，大家可能會(huì)問(wèn)，這顆超大質(zhì)量黑洞會(huì)影響我們的生活嗎？

第三，銀河系中除了這個(gè)超大質(zhì)量黑洞外，還有很多恒星級(jí)黑洞，它們和我們有關(guān)系嗎？

第四，黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關(guān)系，這是我們非常關(guān)心的領(lǐng)域。

等等，黑洞自身有一堆秘密，讓人著迷。

如何確認(rèn)黑洞的存在？真的有黑洞嗎？

黑洞的名字，乍一聽，黑的洞，那是不是表明沒(méi)法看見(jiàn)；如果沒(méi)法看見(jiàn)，那怎么就知道它存在呢？在這次拍照前，天文學(xué)家們是通過(guò)各種間接的證據(jù)來(lái)表明黑洞的存在，主要有三類代表性證據(jù)。

第一，恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周圍的恒星、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，于是我們可以通過(guò)觀測(cè)這種影響來(lái)確認(rèn)黑洞的存在。

第二，根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)（吃東西）發(fā)出來(lái)的光來(lái)判斷黑洞的存在。

第三，通過(guò)看到黑洞成長(zhǎng)的過(guò)程“看”見(jiàn)黑洞。

還有很多類似的證據(jù)，無(wú)不說(shuō)明了黑洞真實(shí)存在。但這還是間接的，我們想直接“看”到黑洞。

給黑洞拍照，是要拍一張?jiān)鯓拥恼掌?？天文學(xué)家們期望拍一張?jiān)鯓拥恼掌兀?/strong>

廣義相對(duì)論預(yù)言，由于黑洞的存在，我們將會(huì)看到中心區(qū)域存在一個(gè)因?yàn)楹诙匆暯缍纬傻年幱埃╯hadow），其周圍環(huán)繞一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)，鑒于黑洞的自旋及與觀測(cè)者視線方向的不同，光環(huán)的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑（注：史瓦西半徑指沒(méi)有自旋的黑洞的事件視界半徑）。

為什么要給黑洞拍照？

對(duì)黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺(jué)”證據(jù)。黑洞是具有強(qiáng)引力的，因此給黑洞拍照，最重要的目的是在強(qiáng)引力場(chǎng)的極端環(huán)境下驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，并同時(shí)細(xì)致研究黑洞周圍的物質(zhì)吸積和噴流的形成及傳播。

什么樣的黑洞適合拍照？

黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)是非常非常小的。在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞的照片，毫無(wú)疑問(wèn)，我們希望找到一個(gè)看起來(lái)角直徑足夠大的黑洞作為對(duì)象。

由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也就意味著質(zhì)量越大，其事件視野越大，因此近鄰的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87*是兩個(gè)目前已知最優(yōu)的候選體。

銀河系中心黑洞的史瓦西半徑約為10微角秒，其黑洞陰影的角直徑大小相應(yīng)為47-50微角秒，這相當(dāng)于一個(gè)蘋果在月球上的角直徑大?。ㄔ虑虻慕侵睆绞?0角分）。M87中心的超大質(zhì)量黑洞（M87*）的黑洞陰影看起來(lái)要比銀心的黑洞陰影略小，約為37-40微角秒。

什么樣的望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)黑洞成像？

要對(duì)黑洞成像，必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而能保證看得到和看得清。滿足這些條件，最好的工具莫過(guò)于1967年出現(xiàn)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）技術(shù)（值得一提的是，該VLBI技術(shù)也成功應(yīng)用于我國(guó)嫦娥探月工程的探測(cè)器的測(cè)定位）。假定在1毫米波長(zhǎng)觀測(cè)，一個(gè)長(zhǎng)度為1萬(wàn)千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)。

但大家可千萬(wàn)別以為，只要VLBI陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。因?yàn)?，情況沒(méi)那么簡(jiǎn)單。如同觀看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行VLBI觀測(cè)至關(guān)重要。觀測(cè)黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。

能介紹下此次拍照使用的視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）嗎？

為了捕獲第一張黑洞圖像，全球超過(guò)200名科學(xué)家達(dá)成了EHT這一重大國(guó)際合作計(jì)劃，EHT觀測(cè)所利用的技術(shù)就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3mm，并且將有望擴(kuò)展到更短的0.8mm。

EHT合作者們?cè)?017年4月份到多個(gè)世界上最高、最偏僻的射電天文臺(tái)，以一種愛(ài)因斯坦永遠(yuǎn)也不會(huì)想到的方式去檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。參與此次觀測(cè)的包括位于世界6個(gè)地點(diǎn)的8個(gè)臺(tái)站（Atacama Pathfinder Experiment，APEX；Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA;IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope，SPT; James Clerk Maxwell Telescope，JCMT；Large Millimeter Telescope，LMT；Submillimeter Array，SMA； Submillimete)。