常識積累：人類首張黑洞照片問世！最全科普
北京時間4月10日晚上21:00，人類史上第一張黑洞照片揭開了神秘面紗。
包括中國在內，全球多地天文學家同步公布首張黑洞真容。這一由200多名科研人員歷時10余年、從四大洲8個觀測點“捕獲”的視覺證據，有望證實愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。
01、什么是黑洞
理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體。它具有的超強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。
黑洞(Black hole)這個名詞，是1968年由美國天文學家惠勒在一個報告里面提出的。
但有關黑洞的概念，早就有科學家通過數學公式推導出來了。
比如，1796年法國科學家拉普拉斯就在著作里寫了一段話：假如有一個恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應該是發光的，但是從遠方看這個恒星，它卻是絕對黑暗的，你不可能看到它。
關于黑洞，法國天文學家盧米涅也說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點，極端到近乎荒唐(指它的一些性質用現有的物理學知識無法解釋)。但它又是宇宙當中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會使我們進入一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野?！?/p>
宇宙中，根據質量天文學家們將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質量)、超大質量黑洞(幾百萬倍太陽質量以上)和中等質量黑洞(介于兩者之間)。
02、人類首次“看見”黑洞
這是人類第一次凝視曾經只存在于理論中的天體——黑洞，一種體積極小、質量極大的天體，如同一個宇宙“吞噬之口”，連光也無法逃逸。
露出真容的黑洞，位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環。
百余年前，愛因斯坦的廣義相對論率先對黑洞作出預言，從此成為許多科幻電影的靈感源泉。科學家陸續通過一些間接證據證實了黑洞的存在，但人類始終沒有真正“看到”過黑洞。
質量極其巨大的黑洞，是宇宙中的神秘存在。這次通過分布全球的觀測點組成一個口徑如地球大小的虛擬望遠鏡——黑洞事件視界望遠鏡，順利實現在1.3毫米波長的觀測，并經過長期的數據分析，成功“捕獲”黑洞的影像。
由于需要極高的靈敏度，組成全球網絡的8個射電望遠鏡分布在多個高海拔地區，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。
“這些望遠鏡的分辨率相當于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙?！敝蟹娇茖W家、上海天文臺研究員路如森說。
“看”得遠、“看”得清仍然不夠，給黑洞拍照還要“看”得準。“觀看電視節目要選對頻道，黑洞影像也必須在合適的波段才能觀測。”路如森說，最佳波段在1毫米附近，這一波段的黑洞光環最明亮，而背景“噪音”又最小。
03、什么是“事件視界望遠鏡”
人類根本看不到黑洞，那又是怎么知道黑洞是真實存在的呢？
鑒于黑洞自身不發光，還會“吞噬”光，很難直接探測，科學家們只能采用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。
電影《星際穿越》中的黑洞，周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤
1978年，法國天文學家盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。但這不是一張真正的照片，而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。
利用電腦模擬產生的數據，盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞，整個過程就像是一臺人體打印機。這幅模糊的圖像展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。
2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、西班牙的8臺亞毫米射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測，利用甚長基線干涉測量技術(VLBI)將這8臺望遠鏡構建成一個口徑等同于地球直徑的超級“虛擬”望遠鏡——事件視界望遠鏡（EHT）。
位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠鏡(圖片來源：ALMA官方網站)
此前，該項目宣布，用這一虛擬望遠鏡“拍照”的重點對象是兩個黑洞，一個是位于銀河系中心的“人馬座α”，另一個位于代號為M87的超巨橢圓星系中心。
據介紹，黑洞照片的“沖洗”用了約兩年時間。
04、照片為什么“沖洗”了兩年
自2017年4月 EHT啟動拍照，至今已經約有兩年的時間了。為什么“黑洞”這張照片用了這么久才“沖洗”出來？
香港大學太空研究實驗室執行主任蘇萌教授在接受中國日報采訪時表示，給“黑洞”拍照不像是手機拍照那樣，立刻就能呈現出來，它是大量的海量數據，還有很多個步驟。然后一步一步地把這個數據從巨大的一個體量最后變成了照片，讓有用的信息一直保持下去，而把沒有用的信息剔除掉。還要把大家做的信息統籌起來，所以是這樣一個過程，其實兩年時間并不算長。
05、為什么照片看不清？
昨天，就有不少媒體表示：黑洞的照片可能看不清！
據科普中國解釋，首先，黑洞自身是不發光的，我們看到的發光實際都來自于事件視界外面的物質，并不來自于黑洞本身，但黑洞的存在會在照片上留下“陰影”。其次，由于黑洞強引力導致的相對論效應，如光線彎曲、引力紅移等，會導致黑洞周圍物質發光的不對稱和扭曲。
此外，事件視界外面的“環境”并不完全干凈，塵埃、氣體、磁場、噴流等因素都會對事件視界外物質的發光產生影響。
而且，事件視界望遠鏡的分辨率畢竟還是有限的，圖像的測量和重構過程也很復雜！
06、中國科學家做出了重要貢獻
中科院上海天文臺介紹說，參與本次黑洞拍照的EHT大型國際合作項目的全球200多位科學家中，來自中國大陸的學者有16人，包括中科院上海天文臺8人、云南天文臺1人、高能物理研究所1人、南京大學2人、北京大學2人、中國科學技術大學1人、華中科技大學1人。另外，還有部分來自中國臺灣地區的學者。
據香港《南華早報》報道，中國科學家在資金支持，計算機建模和數據分析方面都做出了貢獻。 EHT陣列的觀測只持續了幾個小時，但研究人員花了將近一年的時間才將碎片圖像合并成一張完整可信的圖片。
“處理的數據量非常大。對于任何一個國家來說，這都是一項不可能單獨完成的任務，需要全球合作才能完成?！氨本┐髮W物理學院天文系主任吳學兵教授說道。
香港大學太空研究實驗室執行主任蘇萌教授稱，天文學本身就是一個特別重視國際合作的學科，它的許多成果都是不同文化背景下的眾多國家、團隊、高校為了一個科學目標而一起長時間努力而獲得的。比如，一些天文學的項目，往往幾百人是一個很正常的規模。
所以在EHT這個項目里面，也是很多國家高校的研究機構團隊參與進去，包括中國的科研機構和科學家，比如中國科學院上海天文臺便參與了此次國際合作。
來源｜綜合新華社、中國新聞網、中國日報、央視新聞、科普中國、網絡
