人类第一次给黑洞拍了照片，这件事为什么这么难？

本文来自微信公众号：新发现杂志（ID：sciencevie），作者：Fabrice Nicot，编译：王师

坦白地说，这有点疯狂。

一开始的时候，这个名为“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，简称 EHT）的项目，怎么看都不太靠谱，当时很多人都认为这些天文学家不太可能成功。

可事实上，现在黑洞的照片从未像现在这样触手可及。黑洞，这令天文学家和好莱坞场景设计师都无比着迷的神秘天体，我们终于可以看到它们的真面目了。

这堪称是一场史无前例的黑洞“摄猎”，共有近百名科学家、工程师和技术人员参与其中，调动了散布于全球9个天文台的力量。众人关注的目标名为人马座A*。这个黑洞位于人马座方位（它由此得名），距地球约2.6万光年，相当于24.6亿亿千米。（是的，就是这么远。）因为人马座A*处于银河系的中心，而地球位于银河系的“郊区”（确切地说位于猎户旋臂上），所以肯定隔着一大段距离。

图为人马座A*，也就是位于银河系中心的黑洞，这实际上是“事件视界望远镜”项目团队用计算机模拟生成的图像。科学家希望到近期能够获取真正的黑洞照片

遥远的距离是一大难题。因为要拍摄的这个黑洞体积颇为庞大——直径约为太阳的20倍，隔了那么远，它就会显得非常小。观测的难度就跟人站在地球上，却要在月球表面寻找一枚硬币一样。但距离还不是该项目遇到的唯一障碍，拍摄对象本身就带来了难题。

顾名思义，黑洞是黑的，而太空背景也是黑的。换句话说，我们要在黑色的背景中找出黑色的圆点，这对比度实在是很有挑战性。

除了上述这些问题知道，人马座A*周围还存在着大量尘气云，就如同一片幕布把舞台遮得严严实实，挡住了我们观察的视线。这些困难叠加在一起，的确令人气馁。不过，参与“事件视界望远镜”项目的科学家已做好了迎难而上的准备。

位于阿尔卑斯山的北方扩展毫米波天文台（NOEMA）参与了对黑洞的拍摄。该天文台于2014年投入使用，共有9台射电望远镜。图中所示是天文台2019年的规划，届时将建成全部12台直径15米的射电望远镜。

你也许会问，他们要用什么仪器观测呢？事实上，目前任何一台天文望远镜都不具备此次项目所需的超高分辨率。为此，天文学家调动了位于世界各地的9个天文台，并使用了一种复杂的方法——干涉测量法。

简单地说，我们可以把来自两个天文台的图片叠加起来合成一张图片，以未必完全精确的方式，无限逼近一台镜片直径相当于地球直径的巨型望远镜所拍摄到的结果。而之所以要调动位于世界各地的 9 个天文台，则是为确保每时每刻至少有两台这样的巨型望远镜对准黑洞。

不过，如前所述，科学家还面临两个主要障碍：首先是如何透过尘气云的观察黑洞，其次是如何在黑色背景中识别黑洞。但事实上，这两个难关可能已经同时被克服了。要想知道为什么，我们需要首先普及一下关于黑洞的一些知识。

按照黑洞的定义，任何光线都无法逃脱黑洞的引力。因此黑洞在理论上是无法被看到的。然而，我们可以通过事件视界望远镜观察到黑洞，那是我们能够靠近黑洞而不被吸进去的最近距离。

事件视界望远镜项目同样在关注M87星系的黑洞，即图中人工上色处。M87星系黑洞距地球5300万光年，比人马座A*远得多，但质量千倍于后者，且活跃得多。观测结果定会十分引人入胜。

有些时候，气体云会离黑洞太近，于是在后者巨大引力作用下，气体开始围绕黑洞旋转，形成一个物质盘。气体因摩擦而被加热，发出强烈的辐射。它的旋转速度会越来越快，直至穿越事件视界（一种时空曲隔界线，可以理解为是黑洞的边界），永远地消失在黑洞中。事件视界望远镜要观察的， 正是那围绕着黑洞轮廓的碟形光环。

是的，但我们首先要想办法掀开那层幕布，因为尘埃会阻挡可见光。幸运的是，围绕黑洞旋转的碟形光环不仅发出可见光，它还会辐射出大量X射线、紫外线，甚至是射电波。这三种辐射在本质上与光线相同，只是我们无法用肉眼看到它们。人马座A*的射电辐射特别强大，而且能“穿透”尘埃。事实上，人们在1990年代就发现了射电辐射，并自此开始怀疑其存在的可能性。

这是哈勃太空望远镜对银河系中心的红外线观测。图片显示了人马座A*附近区域的x射线，这是银河系中心的超大质量黑洞

为什么会这样？ 要知道，光具有波的性质，就像海浪那样。 

想象海中有座小岛，通常情况下，海浪会拍打在海岛的沙滩上，但当发生海啸时，小岛就无法挡住巨浪了，浪头会越过小岛继续前进。射电波穿越尘气屏障的原理与此类似。射电波的波长介于几毫米到几厘米之间，远大于尘埃微粒和气体分子，因此可以轻松地穿透它们继续向外传播。相反，可见光的波长要短得多（小于万分之一毫米），故而无法穿透尘埃。

为了拍摄黑洞的照片，天文学家将收集毫米级波长的射电信号，因为它们能够比较不受阻碍地在宇宙空间穿行。所以严格地说，科学家想要获得的并不是传统意义上的“照片”，而是用“无线电之光”成像的照片。

但请别失望，射电图像也可以和光学照片一样美丽，科学家会将各种颜色赋予不同波长的电波，从而将其“转化”成可见光图像。就像我们用红外成像检验房屋的保温性能一样：虽然红外线是肉眼不可见的，但计算机能根据不同位置的红外线强度，相应地给出红、蓝、白等颜色。

当然，科学家拍到这张照片后绝不会仅仅把它装进镜框挂起来就完事。他们会借此机会验证这几年来建立的黑洞计算机模型是否正确。尤其重要的是，可以验证黑洞的质量（目前估计为太阳质量的400万倍）、直径以及自转速度等指标。

那么，什么时候能看到这张照片呢？别急，从2017年4月，该项目已经对黑洞进行了为期10天的拍摄。由于涉及到的数据量极为庞大，它们无法通过网络传送，因此被储存在硬盘里，送往德国马普研究所和美国麻省理工学院处理。

而在今天（北京时间4月10日），国际标准时间星期三下午1点（北京时间星期三晚上9点），中国、美国、比利时、丹麦、智利、日本和中国台湾地区科学家将同时举行新闻发布会，以展示期待已久的事件视界望远镜的观察结果。

这仅仅是一个开始，为了观测黑洞周围物质盘的演化，“事件视界望远镜”项目未来将连续五年对人马座A*进行拍摄。静止图像将变成动态影片……这影片虽然未必会像科幻影片《星际穿越》中所描述的那么令人叹为观止，但起码要真实得多。

本文来自微信公众号：新发现杂志（ID：sciencevie），作者：Fabrice Nicot，编译：王师