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就在昨天，北京時間 2019 年 4 月 10 日晚上21點 ，人類歷史上的首張黑洞“靚照”在全球刷屏。

（華麗亮相的M87星系黑洞。圖片來源：EHT）

這張來之不易的照片，是由全球眾多研究團隊共同合作，耗時兩年，從世界各地望遠鏡獲得的海量數據中“沖洗”出來的。這項意義非凡的研究成果一經公布，就立即在世界范圍引起了轟動。

那么，這張黑洞照片和理論中的有何差別？為什么M87星系中的黑洞會最先被拍照？這張照片又有哪些重要意義……圍繞這些問題，我們采訪了領域內的幾位科學家，請他們聊了聊自己的看法。

本期科學家

茍利軍

中國科學院國家天文臺研究員，中國科學院大學教授

王爽

中山大學物理與天文學院副教授，博士生導師；科普作家，新浪微博知名科學科普博主，科學松鼠會成員。

張帆

北京師范大學天文系副教授，美國西弗吉尼亞大學兼職助理教授。

易疏序

奈梅亨大學博士后，研究方向為引力波天文學、致密天體。

孫正凡

天體物理學博士，科普作家、第六版《十萬個為什么》編輯、科學松鼠會會員。

王爽：

有點出乎意料。原以為人馬座A*和M87*的照片會同時放出，而第1張是人馬座A*。照片本身倒是和理論預言符合得很好。

孫正凡：

剛剛公布的黑洞照片跟之前的預期還是有差別的，它只放出了M87的照片，另一個黑洞的照片還在處理中。此外，我們現在看到的黑洞照片 比之前基普· 索恩在《星際穿越》中描繪得更加詳細。這說明，現實的觀測比理論的預言帶給人們更多的驚喜，讓人們更加了解黑洞。

張帆：

M87中黑洞的這個圖像肉眼看上去和廣義相對論的預期幾乎是一樣的，陰影近似圓形； 引力透鏡導致黑洞后面的吸積盤也可見； 環繞黑洞運動的物質中向著我們地球方向運動的那部分所發射的信號和離我們遠去的物質發射的信號遭受的多普勒效應相反，所以圖像不對稱。

（黑洞模擬圖。圖片來源：astronomy|Avery Broderick, Avi Loeb）

茍利軍：

人馬座A*是在我們看來是最大的一個黑洞，另外一個相對比較大的就是M87星系的當中的黑洞。 這就相當于我們把已有黑洞的大型的黑洞看了一遍，發現這兩個黑洞是其中最大的，于是就對它們進行了拍照。

（M87是室女座星系團成員之一，M87位在此星系團左下方。圖片來源：ESO）

孫正凡：

目前只能選擇超大質量黑洞作為拍照對象。雖然銀河系里有不少恒星級的黑洞，但是它們太小了，現階段并不適合作為觀測目標。幸運的是，在幾乎所有星系的中心都有超大質量黑洞，它們適合作為拍照對象。

王爽：

對宇宙中所有的黑洞而言，人馬座A*和M87*的視張角是最大的。換言之，這是兩個從地球上看最大的黑洞。所以EHT會選擇觀測它們。

（人馬座A*。圖片來源：EuropeanSouthern Observatory）

易疏序：

要挑選一個“看起來盡可能大的”目標作為拍照對象。 我們都知道“近大遠小”，因此我們需要在“黑洞本身的大小”和“離我們的距離”這兩點間找到平衡。 選來選去，銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*和附近一個星系M87中心的超大質量黑洞是最理想的。 因為它們非常大，而且離得不算太遠。

張帆：

黑洞本身不發光，我們只能看到其它東西掉到黑洞事件視界里面之前發出來的信號，所以黑洞在照片里面呈現的形態是個影子，我們必須把黑洞的臨近環境看得非常清晰這個影子才能凸顯出來（不要忘記宇宙背景本身也是黑的）。 但是黑洞其實大小非常有限，一個和太陽質量相當的黑洞的半徑只有三公里。 而且（幸運的）我們附近也沒有已知黑洞，所以沒辦法，只能看較遠地方的一個很小的東西。 這就需要極高的角分辨率，把一點點角度尺度上的變化都看清楚。 這就是為什么需要全世界多個射電望遠鏡（射電信號不容易被夾在我們和星系中心間的塵埃遮擋）組成一個干涉陣列。

（加入黑洞觀測計劃的各國天文望遠鏡。 圖片來源： EHT）

黑洞附近物質所發射出來的信號在到達世界上不同望遠鏡的時間上稍有不同，而這種延遲的大小與信號方向和連接望遠鏡間直線的夾角相關，通過干涉的方式這個延遲可以被放大成能讀取的信號，進而我們可以非常精確地得知信號源的方向，獲得需要的角分辨率。 延遲的大小當然還和望遠鏡間的距離成正比，所以望遠鏡間離得越遠越好（但是得在同一個半球，能同時觀測同一片天空）。

王爽：

黑洞本身不發光。所以要想為黑洞拍照，得拍黑洞吸積盤發出的光。難點就在于黑洞的視張角實在太小。就連視張角最大的這兩個黑洞，都只有區區幾十微角秒，相當于從地球表面看一個月球上的乒乓球。

易疏序：

難度在于黑洞太小，太遠了。 盡管你可以任意放大一張照片，但如果你要拍攝的物體的像比一個像素還要小，那么無論如何放大照片都是沒有意義的。

所以要拍清楚黑洞就要求前所未有的非常高的分辨率。

由于量子力學的測不準原理，任何照片都有一個極限分辨率。 相機的口徑越大，能達到的分辨率越高。 同時觀測的電磁波波長越短，能達到的分辨率也越高。

基于上述原因，人們希望把望遠鏡越建越大。 但由于技術和資金的限制，單座望遠鏡的大小受到限制。 科學家們發明了一種技術，通過比較距離很遠的幾臺望遠鏡記錄的電磁波相位的差異，來反推天體的圖像（也就是基線干涉技術）。 通過這個技術，若干臺相距幾公里的望遠鏡可以聯合成一個陣列，相當于一架口徑幾公里的望遠鏡的分辨率。

為了比較各處電磁波的相位差異，這些望遠鏡需要非常精確地同步他們的時鐘。 觀測波長越短的電磁波（頻率越高）對時鐘同步的精度要求也就越高。 因此這次的EHT拍攝的圖片不是在可見光波段，而是在波長更長的射電波段。 當然，觀眾們在媒體上看到的圖片是轉換成可見光的圖片。 為了保持望遠鏡陣列的相干性，每臺望遠鏡的形狀都要精確到微米級別，這對工程技術也提出了不小的挑戰。

王爽：

首先，提供了黑洞存在的直接證據。其次，提供了一個很好的實驗室，來檢驗廣義相對論和各種修改引力理論。再次，讓人們能更好的理解超大質量黑洞的吸積和噴流。

張帆：

“看見”黑洞可以直接證明黑洞的存在，并檢驗它是否符合廣義相對論的預期。 相對論在弱引力條件（如太陽系內的環境）下被非常精確的驗證了，而之前引力波在強場環境中又檢驗了一下，所以我并不期待有這方面的驚奇。 但能夠以這種精度觀測黑洞周邊是非常有意思的，因為超大質量黑洞附近應該是很活躍的天文環境，可以用來學習研究很多復雜的天體物理過程。

易疏序：

現代意義上的黑洞已經被預言了一百年了。 天文學家發現了很多，很確鑿的黑洞存在的證據。 比如黑洞吞噬恒星時發出的光，黑洞碰撞時發出的引力波。 但這些都是“間接證據”。 盡管主流天文學家都相信黑洞一定存在，但按照大家普遍存在的心理： “無圖無真相”，“眼見為實”。 真的看到黑洞核心區域，事件視界的剪影，無疑是最直接的黑洞存在的證據。 這就好比人類幾千年前就通過各種證據知道地球是圓的，但是用人造衛星給地球拍一張照片還是最直接的。

除了證明黑洞存在之外，人們還可以根據黑洞周圍發光氣體形態，推測出黑洞周圍時空的彎曲情況。 這有助于人們了解引力理論，比如廣義相對論是否在如此強引力的地方還依然正確？ 就像人們說的“證實了愛因斯坦是對的，是一個諾貝爾獎； 發現愛因斯坦是錯的，是另一個諾貝爾獎”。

此外，黑洞的照片還有助于我們了解星系中心黑洞的質量，自旋，吸積率，周圍環境和磁場，成長歷史，以及噴流是如何產生的等等天體物理問題。

（超大質量黑洞及其周遭吸積盤。圖片來源：Wikimedia Commons）

易疏序：

未來這兩個黑洞的照片越來越清晰是肯定的。 更多的望遠鏡加入干涉陣列，以及更先進的技術都會讓分辨率和靈敏度進一步提高。 至于不遠的未來，能否能有更多黑洞的靚照（M87和人馬座A*以外），這個需要望遠鏡分辨率的大幅提升。 可能需要用到今天還沒有發明出來的技術。

張帆：

要拍攝更清晰的“靚照”需要相互距離更遠的望遠鏡，EHT 里面現在已經基本上達到地球直徑了，要達到更遠距離可以用上海天文臺葉叔華院士提議的太空射電望遠鏡，或者干脆在月球背面造一個。 當然，數據傳輸、分析等等方面能力的增強和在更高一點的頻率上進行觀測也會有很大幫助。

茍利軍：

我覺得有可能還是先局限在這兩個黑洞。 但是隨著更多望遠鏡的加入和靈敏度的進一步提高，我們可能會獲得更多的細節。 所以未來再觀測同樣的黑洞時，應該會拍到更為清晰的照片。

(采訪、編輯： Yuki，文字整理、排版：小爽）