據(jù)人民日報(bào)報(bào)道,，大量天文觀測數(shù)據(jù)已證實(shí),，在浩瀚的宇宙當(dāng)中，有無數(shù)的黑洞神秘地藏身于各星系中,。
但人類卻從未直接“看”到過黑洞,，并不知道它的真實(shí)模樣。
為了能一睹黑洞真容,，2017年4月5日到14日之間,，來自全球30多個研究所的科學(xué)家們啟動了一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測計(jì)劃。他們將分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò),，希望利用其捕獲黑洞影像,。
最終，科學(xué)家們成功拍攝到了黑洞的第一幅“照片”,。
北京時間2019年4月10日21時,，這張照片在美國華盛頓、中國上海和臺北,、智利圣地亞哥,、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時發(fā)布,。傳說中的黑洞終于揭開神秘面紗,。
人類有史以來的第一張黑洞照片是如何拍攝的，記者為您揭秘整個過程,。
認(rèn)識黑洞
理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體,。它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍,，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界,。
那么，黑洞是怎么形成的,？
像宇宙萬物一樣,，恒星也會衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時,，內(nèi)核會急劇塌縮,，所有物質(zhì)快速的向著一個點(diǎn)坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點(diǎn),，并形成一個強(qiáng)大的力場漩渦,，扭曲周圍時空，成為黑洞,。
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：恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍—上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）,。
根據(jù)理論推算,，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個恒星量級的黑洞。然而,，因?yàn)楹诙醋陨聿话l(fā)射和反射電磁波,，儀器和肉眼都無法直接觀測到它。
既然無法“看見”,，那怎么就知道它存在呢,？天文學(xué)家們主要是通過各種間接的證據(jù)。
中國科學(xué)院上海天文臺研究員沈志強(qiáng)：“主要有三類代表性證據(jù),。一是恒星,、氣體的運(yùn)動透漏了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力,，對周圍的恒星,、氣體會產(chǎn)生影響，于是我們可以通過觀測這種影響來確認(rèn)黑洞的存在,。二是根據(jù)黑洞吸積物質(zhì),，也就是吃東西時發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程‘看’見黑洞,?！?/p>
到目前為止，通過間接的觀測,，科學(xué)家們在銀河系發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)了20多個恒星級質(zhì)量黑洞,，但可能有上千萬個恒星級黑洞候選體。
沈志強(qiáng)說：“宇宙每個星系中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞,。我們居住的銀河系中心就有一顆,，它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400多萬倍,。除此之外，銀河系還有很多恒星級黑洞,?！?/p>
這些神秘的黑洞和宇宙的誕生和演化有何關(guān)系？它和所在的星系之間又有什么關(guān)系,？它又和我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系,，會不會對我們的生活產(chǎn)生影響？……
為了更準(zhǔn)確清晰地解答這些問題,，科學(xué)家們想直接“看”到黑洞,。
準(zhǔn)備“相機(jī)”
廣義相對論預(yù)言，雖然黑洞本身不發(fā)光,，但因?yàn)楹诙吹拇嬖?，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落,。氣體下落至黑洞的過程中,，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此氣體被加熱至數(shù)十億度,。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi),，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán),。
愛因斯坦的廣義相對論已預(yù)測過這個“陰影”的存在,，以及它的大小和形狀。
科學(xué)家們期望這次能直接捕獲到這個黑洞“陰影”的圖像,。
中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森說：“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據(jù),。”
路如森說：“這就必須要保證望遠(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?！?/p>
但滿足上述所有條件,，望遠(yuǎn)鏡的口徑需要像地球大小。
然而,，目前地球上已有的單個望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米,。
那該怎么辦？
聰明的天文學(xué)家們想到了一個好辦法——搞強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,。
把地球上現(xiàn)有的一些望遠(yuǎn)鏡“組合”起來,，就能夠形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。
于是,，全球超過200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）這一重大國際合作計(jì)劃,，決定利用甚長基線干涉測量技術(shù)。
沈志強(qiáng)說：“就是利用多個位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時間進(jìn)行聯(lián)合觀測,，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟,?！?/p>
最終，科學(xué)家們選定了來自全球多地的包括南極望遠(yuǎn)鏡等8個亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡,。
路如森說：“它們多數(shù)都是單一望遠(yuǎn)鏡,，比如夏威夷的JCMT和南極望遠(yuǎn)鏡。也有望遠(yuǎn)鏡陣列,，比如ALMA望遠(yuǎn)鏡是由70多個小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成,。”
選定目標(biāo)
在組建大型虛擬望遠(yuǎn)鏡的同時,，科學(xué)家們也在尋找著合適的拍攝目標(biāo),。
黑洞剪影和周圍環(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,，要想拍攝到黑洞照片,，必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標(biāo)。
科學(xué)家們甄選了一圈之后,，決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標(biāo)：一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A＊,，另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87＊。
沈志強(qiáng)說：“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比,，這也意味著質(zhì)量越大,，其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質(zhì)量都超級大,，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的,，可以說是目前最優(yōu)的成像候選體?！?/p>
盡管如此被選擇的兩個黑洞已是最優(yōu)成像候選體,，但要清晰為它拍照，難度還是極其大,。
Sgr A＊黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個太陽,，所對應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，相當(dāng)于17個太陽的大小,。然而,，地球與Sgr A＊相距2萬5千光年（約24億億公里）之遙。
沈志強(qiáng)說：“這就意味著，它巨大的視界面在我們看來,，大概只有針尖那么小,，就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子?！?/p>
M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大,，達(dá)到了60億個太陽質(zhì)量。
盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A＊與地球之間的距離更遠(yuǎn),，但因質(zhì)量龐大,，所以它的事件視界對科學(xué)家們而言，可能跟Sgr A＊大小差不多,，甚至還要稍微大那么一點(diǎn)兒,。
調(diào)試相機(jī)
要想看清楚兩個黑洞事件視界的細(xì)節(jié)，事件視界望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行,。
要多高呢,？
路如森說：“比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上?！?/p>
但也別以為,，只要虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照,。
實(shí)際情況并沒那么簡單,！如同觀看電視節(jié)目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言,，能夠在合適的波段進(jìn)行觀測至關(guān)重要,。
此前的一系列研究表明，觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段是約為1毫米,。
路如森說：“因?yàn)闅怏w在這個波段的輻射最明亮,，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球?！?/p>
在這種情況下,，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個望遠(yuǎn)鏡口徑的大小,。
為了增加空間分辨率,，以看清更為細(xì)小的區(qū)域，科學(xué)家們在此次進(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡,。
沈志強(qiáng)說：“這樣設(shè)置是為了要保證所有8個望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個黑洞,，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率?！?/p>
正式拍攝
8個望遠(yuǎn)鏡北至西班牙,，南至南極,，它們將向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù),，為我們勾勒出黑洞的模樣,。
留給科學(xué)家們的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間,。對于2017年來說,，是在4月5日到4月14日之間。
除了觀測時間上的限制,，拍攝對天氣條件要求也極為苛刻,。
“因?yàn)榇髿庵械乃畬@一觀測波段的影響極大，水會影響射電波的強(qiáng)度,，這意味著降水會干擾觀測?！?沈臺說,，“要想視界面望遠(yuǎn)鏡順利觀測，需要所有望遠(yuǎn)鏡所在地的天氣情況都非常好,?！?/p>
按照要求，計(jì)劃選擇的8個望遠(yuǎn)鏡所在之處均是位于海拔較高,，降雨量極少,，全部晴天的概率非常高。
此外,，要成像成功還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時間上完全同步,。
北京時間2017年4月4日，事件視界望遠(yuǎn)鏡啟動拍攝,，將視線投向了宇宙,。最后的觀測結(jié)束于美國東部時間4月11日。
觀測期間,，每一個射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自于目標(biāo)黑洞附近的射電波信號,，這些數(shù)據(jù)然后被集成用于獲得事件視界的圖像。
沈志強(qiáng)說：“為了確保信號的穩(wěn)定性,，事件視面望遠(yuǎn)鏡利用原子鐘來確保望遠(yuǎn)鏡收集并記錄信號在時間上同步,。”
沖洗照片
給黑洞拍張照片不容易,，“洗照片”更是耗時漫長,。
射電望遠(yuǎn)鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息,，用數(shù)據(jù)向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子,。
在觀測結(jié)束之后,，各個站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)將被匯集到兩個數(shù)據(jù)中心（分別位于美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所）。在那里,，超級計(jì)算機(jī)通過回放硬盤記錄的數(shù)據(jù),，在補(bǔ)償無線電波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差后將所有數(shù)據(jù)集成并進(jìn)行校準(zhǔn)分析，從而產(chǎn)生一個關(guān)于黑洞高分辨率影像,。
此后,，經(jīng)過長達(dá)兩年的“沖洗”，2019年4月10日,，人類歷史上首張黑洞照片終于問世,。