黑洞到底长啥样？

本文来自周刊君家族成员中国新闻周刊

（ID：chinanewsweekly）

M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像，上图为2017年4月11日的图像，图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”，周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束（beaming）效应所造成的。由于黑洞的旋转效应，图片上显示了上（北）下（南）的不对称性

黑洞长什么样子？地球人从来没有见过。

“研究黑洞十多年，最接近我对黑洞想象的是2014年电影《星际穿越》中卡冈都亚的样子。” 中科院国家天文台研究员、黑洞研究创新团组负责人苟利军对《中国新闻周刊》说。

卡冈都亚是诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家基普·索恩在科学的基础上设计出来的一个黑洞。但科学从来都不仅仅止步于想象。如今，一个名为“视界面望远镜”（EHT）的国际合作项目决定给黑洞拍张照。来自全球30多个研究所的100多名科学家，利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜，组成一个口径尺寸相当于地球直径的虚拟望远镜，来观测黑洞的视界面。经过历时两年的观测、数据分析与验证，首张黑洞图像终于在北京时间4月10日晚上9点公布：人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜，在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像。

这个经常出现在科幻小说与电影中的神秘天体终于露出真容了。

手绘、电影与拍照

2008年，美国麻省理工学院海斯塔克天文台助理主任夏普·多尔曼与同事们把位于美国夏威夷、亚利桑那和加利福尼亚的三个射电望远镜连接到一个系统中。在银河系中心，他们探测到“一个不会消失的点”，开始观察这个点周围的黑洞迹象。后来，这一团队越来越大，逐渐纳入全球30多所天文台、大学、研究机构和100多位科学家。他们把这个观测项目命名为“视界面望远镜”，由多尔曼任负责人。

人们可以看见物体是因为有光线进入眼睛，但黑洞由于其强大的引力作用，就连光都无法逃脱，因此，它内部高度扭曲的时空也无法被人看见，“黑洞”的名字也由此而来。在黑洞周围，光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”，即视线所能达到的界面，这也就是多尔曼团队所要观测的目标。

苟利军介绍说，通常将黑洞分为两类，一类是恒星量级黑洞，相当于3~100个太阳质量，由大质量恒星坍缩形成；另一类是超大质量黑洞，具有几十万到上百亿个太阳质量，通常被认为是在宇宙形成早期，由恒星量级黑洞合并和长期气体吸积而成。

有时，恒星量级黑洞会将临近恒星的气体吸走，这些被吸附的物质并没有直接掉入黑洞，而是围绕黑洞中心高速运转。剧烈的摩擦释放出大量光和热，形成色彩斑斓的吸积盘，将黑洞标记出来。当吸积气体过多，一部分气体在掉入黑洞视界面之前，在磁场的作用下沿转动方向被抛射出去，形成喷流。

“吸积盘和喷流这两种现象，因气体摩擦产生了光与大量辐射，很容易被探测到，由此便能推测出黑洞的位置。”苟利军告诉《中国新闻周刊》。但要确定一个天体是否为黑洞，还需要更多的测量和计算，理论上讲，银河系中有上亿个恒星量级的黑洞，但目前已确认的只有20多个，以及四五十个黑洞候选体。

“视界面望远镜”项目拍摄的黑洞有两个，一个是那个“银河系中心不会消失的点”黑洞人马座A*，另一个是5000多万光年外的M87星系的黑洞。之所以选中它们，“是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的”。不过，苟利军解释，虽然人马座A*的视界面尺寸有2400万千米，相当于17个太阳，但由于相距2.5万光年，在地球上看，它只有针尖大小，如同站在地球观看月球表面的一颗橙子。而位于M87星系的黑洞虽然距离更远，但该黑洞质量更大，从地球观测到的视界面大小与人马座A*相差无几。

多尔曼并不是第一个试图还原黑洞样貌的科学家。法国天体物理学家让-皮埃尔·卢米早在1978年就拿出了第一幅黑洞视界面的图像。不过，这不是一张真正意义上的照片，而是卢米手绘的。

拥有数学背景的卢米利用一款老式晶体计算机模拟出观测者眼中的黑洞，然后像人形打卡机一样，用钢笔一个点、一个点地绘制出来。图1显示出一个扁平物质盘垂直坠入黑洞时可能发生的样子，物质盘周围的光因黑洞的强大引力而弯曲。整体看上去像是一顶画了一半的草帽。

法国天体物理学家让-皮埃尔·卢米1978年手绘了第一幅黑洞视界面的图像。

在卢米之后，越来越多的人尝试将黑洞具象化，并试图搬上银幕。在电影《星际穿越》中，卡冈都亚黑洞在其背后的恒星场上投下了黑色的阴影，后方的光线由于引力作用发生弯曲，在黑洞周围形成明亮的气体圆环，高速运转的吸积盘在图中成为横亘在黑洞前的一道光带。

“卡冈都亚是理想中的黑洞侧视图，现实中的吸积盘可能并不是薄薄一层，也可能因观测角度的原因，与黑洞下方的气体圆环出现交叠。”苟利军对介绍，根据他和其他天文学家的猜测，视界面望远镜所拍摄的可能是这样一幅图像：在黑洞周围环绕着高速运转的光子圆环，并无限接近视界面，同时，由于黑洞转动的多普勒效应，光子圆环一侧较亮，另外一侧较暗。

全球行动

找到黑洞的藏身之处是拍摄的前提。

“目前通常采用测量质量的办法确认一个天体是否为黑洞。”苟利军解释说，如果一个致密天体的质量大于3个太阳，一般就会确信其为黑洞。具体方式就是通过测量周围天体与中心天体的距离及其转动速度，再利用公式求得中心天体的质量。

测量工作并不容易。科学家们需要尽可能找到一些距离黑洞非常近的恒星，根据它们的运动轨迹推断中心黑洞的质量。这对望远镜提出了更高要求：要观测银河系中心的微小区域，需要更大口径的望远镜以提高图像分辨率，而银河系中心的大量气体尘埃会阻断光学波段，因此需要穿透性能比较强的红外波段或频率更低的波段。

对黑洞人马座A*的测量可以追溯到1990年代。从1994年到1996年，德国科学家在人马座A*周围观测到39颗恒星，并算出黑洞质量约为240万个太阳质量。但此次质量测量误差较大。美国加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授安德烈娅·米娅·盖兹同期也在观测这一天体。利用口径更大的望远镜和近20年的努力，她对黑洞人马座A*做出了更为精确的测量:约410万个太阳质量。

确定黑洞及其位置后，拍摄又遇到了新的问题。相较于恒星到黑洞的距离，黑洞自身的尺寸要小得多，至少是前者的十万分之一，这使得单一望远镜很难达到拍摄黑洞所需的分辨率。

天文望远镜的分辨率取决于望远镜的口径和观测所用的波长，口径越大、波长越短，分辨率越高。为提高分辨率，需要将多个望远镜联合起来，同时观测，以达到一架大望远镜的观测效果，这其实就是视界面望远镜使用的“甚长基线干涉测量技术”，简称VLBI。

所谓VLBI，即让各射电望远镜采用的氢原子钟保证时间同步，同时接收同一个射电源的信号，各自记录在磁带上，然后把磁带的记录一起送入处理机进行相关运算，求出观测结果。

“虚拟望远镜的分辨率大小取决于望远镜之间的最大距离，而不是单个望远镜口径。”苟利军说，所选的8个望远镜几乎是全球仅有的同时拥有亚毫米波技术与VLBI技术的望远镜，分别位于南极、智利（2个）、墨西哥、美国本土、夏威夷（2个）和西班牙。其中，多数为单一望远镜，如夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT），也有望远镜阵列；而智利的阿塔卡马大型亚毫米波阵列，则由66个射电望远镜组成。

“位于南极的望远镜拉大了整个虚拟望远镜的口径，大大提高了分辨率，可以捕捉到更多细节。”苟利军补充说，另一个十分重要的“望远镜”是位于智利的阿塔卡马阵列，它提高了虚拟望远镜的灵敏度，对亮度较低的物体也能识别到。

中国望远镜没有参与其中，是因为技术设备与国际先进水平还存在差距。苟利军说，中国有两个亚毫米波射电望远镜，分别位于青海省的德令哈市和西藏的羊八井镇，但还不具备甚长基线干涉测量技术。而位于中国贵州的“天眼”FAST在今年1月24日才具备参加深甚长基线干涉联网合观测的能力。

“这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据，证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。”4月10日晚，参与国际合作的中方科学家、中国科学院上海天文台台长沈志强在“事件视界望远镜重大成果发布会”上说

不过，苟利军透露说，在此次观测黑洞的8个望远镜中，位于夏威夷的麦克斯韦望远镜是由中国科学院国家天文台、韩国天文与空间科学研究所、日本国立天文台和中国台湾“中研院”天文与天体物理研究所共同管理运行的，中国一部分天文学者也通过这个机会参与到项目中。 

即便理论很成熟，现实观测中仍会遇到各种意外，各大洲的天气状况、技术的稳定性、海拔，甚至是交通状况都可能影响观测结果。在2015年《纽约时报》对多尔曼的报道中，他的两位同事曾因在墨西哥城遭遇车祸而耽误观测，位于智利的射电望远镜也曾因为接收器失灵而被送回欧洲修理。

2017年4月5日~14日，视界面望远镜项目在其宣布给黑洞拍照后完成了首次观测。由于地球公转，观测窗口期只有这10天左右，同时，由于各望远镜的科研排期，最终留给视界面望远镜观测黑洞的时间只有4~5天。8个望远镜所在地的海拔都比较高，降雨较少，以避免大气中水对观测波段的影响。为达到同时观测的效果，科学家们还会在每个观测点提前校对好原子钟时间。

“项目每晚上产生的数据可达2PB ，也就是2000TB, 相当于欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量。”苟利军介绍说，庞大的数据难以通过网络进行传输，需要存储在磁带或硬盘上，因而南极望远镜的数据在度过了半年极夜期后才被送出。所有数据被送往美国海斯塔克天文台和德国的马普射电天文研究所，分别独立汇总和分析。

科学家们对项目的期待远不止于“首张黑洞照片”这个结果。中科院国家天文台研究人员陆由俊解释说，照片或将验证爱因斯坦的广义相对论，并帮助科学家研究黑洞的构造。

爱因斯坦的广义相对论从理论上预言了一个大致圆形、由光子构成的黑洞影子。如果照片足够清晰，展现出黑洞的所有细节，便能证实广义相对论的预言，若与预言不同，则说明还有需要改进的地方。

照片同时为研究黑洞本身提供了素材，例如其吸积盘的形成过程，喷流的方向、速度和磁场强度等。“这将是目前为止最漂亮的一张黑洞照片，即使不能达到期待的清晰度，也将让我们与黑洞本质更近一步。” 陆由俊说。

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