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    2019年4月10日(農(nóng)歷2019年3月6日)，人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。

　　北京時(shí)間2019年4月10日晚9點(diǎn)，黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope， EHT)合作組織協(xié)調(diào)召開全球六地聯(lián)合新聞發(fā)布會(huì)，宣布人類首次利用一個(gè)口徑如地球大小的虛擬射電望遠(yuǎn)鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲世界上首張黑洞圖像{/b}(圖1)。

　　這張圖像的意義非同一般，它提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)，使得在強(qiáng)引力場(chǎng)下驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論，細(xì)致研究黑洞附近的物質(zhì)吸積與相對(duì)論性噴流成為可能。

　　那么，黑洞為什么可以成像?如何成像?本文試圖以親歷者的角度，對(duì)黑洞成像的前前后后做一解讀。

　　圖1. M87星系中心超大質(zhì)量黑洞(M87*)的圖像 (圖源：參考資料)

　　上方為2017年4月11日的圖像，下方三個(gè)圖為M87*在2017年4月5日、6日和10日的圖像。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”(見下文)，周圍的環(huán)狀不對(duì)稱結(jié)構(gòu)是由于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和相對(duì)論性射束(beaming)效應(yīng)所造成的。由這種上(北)下(南)的不對(duì)稱性可以定出黑洞的自旋方向。

　　黑洞與廣義相對(duì)論

　　一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，將時(shí)間和空間結(jié)合為一個(gè)四維的時(shí)空，并提出引力可視為時(shí)空的扭曲。這一理論做出了不少重要預(yù)言，其中之一便是：當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界(event horizon) 之內(nèi)——在這一黑洞的“勢(shì)力范圍”內(nèi)，引力強(qiáng)大到連光都無法逃脫。

　　對(duì)于廣義相對(duì)論的驗(yàn)證，可以追溯到一個(gè)世紀(jì)以前。1919年5月29日，Arthur Eddington等人在日全食期間對(duì)太陽附近光線偏折的實(shí)驗(yàn)測(cè)量(圖2) ，拉開了上世紀(jì)驗(yàn)證廣義相對(duì)論的序幕，并把愛因斯坦推上了科學(xué)的“神壇”。

　　圖2. 星光偏折驗(yàn)證廣義相對(duì)論示意圖(圖源：The Illustrated London News)

　　一個(gè)世紀(jì)以來，廣義相對(duì)論經(jīng)受住了接連不斷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，黑洞的存在也已得到越來越多天文觀測(cè)的佐證。

　　目前，天文學(xué)家普遍相信黑洞確實(shí)存在于宇宙之中，從質(zhì)量為數(shù)倍到數(shù)十倍于太陽的恒星級(jí)黑洞，到高達(dá)數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，應(yīng)有盡有。而且，超大質(zhì)量黑洞存在于幾乎所有星系的中心。

　　然而，即使在LIGO/Virgo探測(cè)到引力波、從而權(quán)威性地證明黑洞存在的今天，人類還是沒有直接看到能夠揭秘極端條件下時(shí)空秘密的那個(gè)“洞”——“黑洞事件視界”。

　　這或許正是黑洞本身的迷人之處所造成的——黑洞的致密程度讓人難以想象!如果把地球壓縮成一個(gè)黑洞，它的大小和一個(gè)湯圓差不多;而一個(gè)位于距離地球1kpc(約3262光年)處，10倍于太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，其事件視界的角直徑大小只有0.4納角秒。這比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率還要小約1億倍，任何現(xiàn)有的天文觀測(cè)手段都沒有這樣的分辨本領(lǐng)!

　　為什么黑洞能成像?

　　既然黑洞是“黑”的，連光線都無法逃脫，那我們又該如何看到黑洞呢?

　　事實(shí)上，黑洞并不是孤立存在的，它的周圍存在大量氣體。由于黑洞的強(qiáng)大引力，氣體會(huì)朝黑洞下落。而當(dāng)這些氣體被加熱到數(shù)十億度高溫時(shí)，便會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。同時(shí)，黑洞也會(huì)以噴流和風(fēng)的形式向外噴射物質(zhì)和能量。

　　廣義相對(duì)論預(yù)言，我們將會(huì)看到中心區(qū)域存在一個(gè)由于黑洞視界形成的陰影(black hole shadow)，周圍環(huán)繞一個(gè)由吸積或噴流的輻射造成的光環(huán)——它狀如新月，大小根據(jù)黑洞的自旋及與觀測(cè)者視線方向的不同，介于4.8-5.2倍史瓦西半徑之間(注：史瓦西半徑是沒有自旋的黑洞的事件視界半徑;一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞的視界半徑約為3千米)。

　　在沒能一睹黑洞真容的歲月里，科學(xué)家通過計(jì)算了解黑洞的“樣貌”。

　　早在上世紀(jì)10年代后期，大數(shù)學(xué)家希爾伯特(David Hilbert)就計(jì)算了黑洞周圍的光線彎曲和引力透鏡效應(yīng)。

　　70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人計(jì)算出了黑洞的圖像(圖3，左)。

　　90年代后期，Heino Falcke等人針對(duì)銀河系中心黑洞的情況做了詳細(xì)計(jì)算，并引入了黑洞陰影的說法。他們同時(shí)指出，該黑洞陰影若是“鑲嵌”在周圍明亮的，光學(xué)薄(即對(duì)某一觀測(cè)波長(zhǎng)透明)的熱氣體中，就可以被(亞)毫米波甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)“看到”。

　　此后，人們利用廣義相對(duì)論磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，針對(duì)黑洞成像開展了大量研究，均預(yù)言黑洞陰影的存在(如圖3，右)。因此，對(duì)黑洞的陰影的成像提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。

　　圖3. 黑洞陰影圖像(左圖取自參考資料，右圖由作者提供)

　　什么樣的黑洞最適合成像?

　　雖說黑洞的陰影能被“看到”，但也不是所有黑洞都符合成像條件。由前所述，黑洞是非常非常小的。能夠成像的黑洞，毫無疑問角直徑必須足夠大。由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也就意味著黑洞的質(zhì)量越大，事件視界就越大，也越適合成像。因此，距離我們近的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體。

　　位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A* 和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87* 是兩個(gè)目前已知最優(yōu)的候選體。

　　銀河系中心射電源Sgr A* ，是Bruce Balick和Robert Brown利用美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)干涉儀，于1974年發(fā)現(xiàn)的(關(guān)于其發(fā)現(xiàn)和命名的故事，參見)。目前已有越來越多的證據(jù)表明，它是一個(gè)質(zhì)量約為400萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。由于距離地球約為26萬光年，銀河系中心黑洞的史瓦西半徑約為10微角秒，其黑洞陰影的角直徑大小相應(yīng)為47-50微角秒，相當(dāng)于一個(gè)蘋果在月球上的角直徑大小(月球的角直徑約為0.5度)。

　　M87則是位于室女座方向的一個(gè)巨橢圓星系，距離地球約5500萬光年。早在1918年，Heber Curtis就注意到一條奇特的準(zhǔn)直光束“curious straight ray”與星系的中心相連。其實(shí)，這條準(zhǔn)直的光束正是M87的噴流，從中心發(fā)出并延伸數(shù)千光年，成為M87最引人注目的特征。這也使得它成為首個(gè)被認(rèn)證出噴流的星系(圖4)。

　　和銀河系中心一樣，M87中心也有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞(現(xiàn)在按銀心黑洞的命名習(xí)慣被稱為M87*)，其質(zhì)量約為65億倍太陽質(zhì)量。這個(gè)黑洞雖比Sgr A* 質(zhì)量大1500倍，但是距離也遠(yuǎn)了2000多倍，因此它看起來要比銀心黑洞略小——其史瓦西半徑約為7.6微角秒，黑洞陰影的大小相應(yīng)為37-40微角秒。

　　圖4. M87在不同尺度上的射電噴流(圖源：參考資料)

　　什么樣的望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)黑洞成像?

　　目標(biāo)已經(jīng)選定，下面就該“磨刀上陣”了。古人云：“工欲善其事，必先利其器”，要對(duì)黑洞成像，最好的工具莫過于甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技術(shù)。

　　VLBI利用廣為分布(距離可達(dá)上萬或幾十萬公里)的射電望遠(yuǎn)鏡，通過各臺(tái)站獨(dú)立記錄信號(hào)和后期對(duì)信號(hào)的綜合相關(guān)處理，獲得一個(gè)大小相當(dāng)于各臺(tái)站之間最大間距的巨型(虛擬)望遠(yuǎn)鏡。該技術(shù)可取得天文研究中最高的分辨本領(lǐng)，其分辨率θ～λ/D，其中λ為觀測(cè)波長(zhǎng)，D為最長(zhǎng)基線長(zhǎng)度。假定在1毫米波長(zhǎng)觀測(cè)，一個(gè)長(zhǎng)度為1萬公里(約為地球直徑)的基線可獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)。VLBI利用精準(zhǔn)到每數(shù)億年才誤差一秒的原子鐘來保證望遠(yuǎn)鏡收集并記錄的信號(hào)在時(shí)間上同步，并確保信號(hào)的穩(wěn)定性。

　　自上世紀(jì)60年代后期VLBI技術(shù)實(shí)現(xiàn)以來，其性能隨著技術(shù)的進(jìn)步得到不斷提升，波長(zhǎng)覆蓋也從厘米波段擴(kuò)展到目前處于國(guó)際發(fā)展最前沿的(亞)毫米波段。

　　如同觀看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行VLBI觀測(cè)至關(guān)重要。觀測(cè)黑洞視界的最佳波段在1毫米附近，并非單純由于其高分辨本領(lǐng)，更有以下幾個(gè)重要的考慮/優(yōu)勢(shì)：

　　黑洞周圍氣體的輻射在短毫米波段變得透明(“光學(xué)薄”)。這一點(diǎn)對(duì)黑洞成像至關(guān)重要，否則分辨率再高也無濟(jì)于事。

　　吸積氣體在這個(gè)波段的輻射最明亮。為了“看到”黑洞視界，其周圍的輻射相對(duì)我們的觀測(cè)設(shè)備的靈敏度而言必須足夠“亮”。

　　無線電波在這一波段受到的星際散射干擾很小。這點(diǎn)對(duì)銀河系中心尤為重要，因?yàn)樗诶迕撞ǘ渭耙陨鲜艿綇?qiáng)烈星際散射的影響，使得我們無法看到黑洞周圍輻射的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)。

　　另外，還有臺(tái)站的布局、靈敏度的提升等很多重要因素也需要考慮。

　　由此，我們不難發(fā)現(xiàn)，并不是只要VLBI陣列的分辨率足夠高就可對(duì)黑洞進(jìn)行成功拍照!

　　EHT及其在2017年4月的觀測(cè)

　　近年來，1.3毫米VLBI觀測(cè)在Sgr A* 和M87* 中已經(jīng)分別探測(cè)到黑洞事件視界尺度上的結(jié)構(gòu)，這對(duì)黑洞成像而言是非常鼓舞人心的。但受到臺(tái)站數(shù)目及靈敏度的限制，詳細(xì)的成像觀測(cè)一直無法開展。

　　隨著新的、高靈敏度亞毫米波臺(tái)站(尤其是Atacama Large Millimeter/submillimeter Array等)加入到全球1.3毫米-VLBI陣列，黑洞的成像觀測(cè)成為可能。

　　為了捕獲第一張黑洞圖像，目前由來自包括中國(guó)在內(nèi)的十幾個(gè)國(guó)家(地區(qū))的200多名科學(xué)家形成了EHT這一重大國(guó)際合作計(jì)劃。EHT觀測(cè)所利用的技術(shù)就是(亞)毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3毫米，并將有望擴(kuò)展到0.8毫米。

　　通過對(duì)黑洞成像，EHT可在強(qiáng)引力場(chǎng)的極端環(huán)境下驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論，并細(xì)致研究黑洞周圍的物質(zhì)吸積和噴流的形成及傳播。

　　作為對(duì)100年前愛丁頓等人驗(yàn)證廣義相對(duì)論的回聲，EHT合作者們?cè)?017年4月份到多個(gè)世界上最高、最偏僻的射電天文臺(tái)，以一種愛因斯坦永遠(yuǎn)也不會(huì)想到的方式去檢驗(yàn)他的廣義相對(duì)論。

　　參與此次觀測(cè)的包括位于世界6個(gè)地點(diǎn)的8個(gè)臺(tái)站 (表1，圖5)。

　　表1. 參加EHT觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡信息，其中，ALMA，LMT，SMA和SPT的有效口徑只針對(duì)2017年

　　圖5. 2017年4月份參加EHT觀測(cè)的8個(gè)VLBI臺(tái)站 (圖片由作者提供)

　　實(shí)線連接的為觀測(cè)M87的5個(gè)地點(diǎn)(7個(gè)臺(tái)站;由于位置限制，位于南極的SPT望遠(yuǎn)鏡無法觀測(cè)到M87)，虛線連接的為觀測(cè)一個(gè)校準(zhǔn)源(3C279)的臺(tái)站。

　　為了增加探測(cè)靈敏度，EHT所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年4月份的觀測(cè)中，每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit/s，8個(gè)臺(tái)站在5天觀測(cè)期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)(相當(dāng)于350萬部電影，至少要幾百年才能看完!)。

　　EHT采用專用硬盤來記錄數(shù)據(jù)，再把它們送回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。在那里，研究人員用超級(jí)計(jì)算機(jī)矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號(hào)相干的目的。

　　在此基礎(chǔ)之上，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過近兩年時(shí)間的后期處理和分析，人類終于捕獲了首張黑洞圖像。

　　我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究，在EHT國(guó)際合作形成之前就已開展了多方面具有國(guó)際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，中國(guó)科學(xué)家在早期共同推動(dòng)了EHT的合作并參與了EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)，同時(shí)協(xié)助JCMT望遠(yuǎn)鏡開展觀測(cè)并參與數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等，為EHT黑洞成像做出了積極的貢獻(xiàn)。

　后續(xù)更精彩，敬請(qǐng)期待

　　由于對(duì)M87中央黑洞質(zhì)量的不同測(cè)量方法(氣體動(dòng)力學(xué)vs.恒星動(dòng)力學(xué))所得結(jié)果差了近2倍，因此能對(duì)M87*成像還是讓人稍有意外的。然而，對(duì)M87黑洞的順利成像絕非EHT的終點(diǎn)站。相反，這一令人興奮的結(jié)果必將激發(fā)人們對(duì)于黑洞研究的更多興趣和熱情。

　　目前，對(duì)2017年M87的觀測(cè)數(shù)據(jù)仍在繼續(xù)分析中。研究人員希望通過對(duì)輻射的偏振研究來獲取黑洞周圍的磁場(chǎng)性質(zhì)，這對(duì)理解黑洞周圍的物質(zhì)吸積及噴流形成至關(guān)重要。

　　另一個(gè)最佳成像候選體——銀河系中心黑洞的質(zhì)量更加確定，而之前的EHT觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)表明，黑洞周圍出現(xiàn)“中間暗，周圍(一邊)亮”的結(jié)構(gòu)，其總體特征大小為5倍史瓦西半徑，與廣義相對(duì)論預(yù)言一致(參考資料及圖6)。

　　隨著后續(xù)更多的觀測(cè)臺(tái)站(如Northern Extended Millimeter Array， Kitt Peak Telescope)加入EHT，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量(靈敏度)的提升，我們完全有理由相信，在不久的將來EHT能夠獲得銀心黑洞更加清晰的圖像。

　　讓我們拭目以待!

　　圖6.針對(duì)銀心黑洞的1.3毫米VLBI觀測(cè)示意圖 (圖源：Max Planck Society)

　　2013年利用位于4個(gè)地點(diǎn)的6個(gè)VLBI臺(tái)站開展針對(duì)銀心黑洞的1.3毫米VLBI觀測(cè)示意圖，其中內(nèi)嵌圖給出了與觀測(cè)相符合的兩個(gè)最可能輻射結(jié)構(gòu)的模型。注：在VLBI發(fā)展的早期或者一般在基線覆蓋不太理想的情況下，通?？紤]用簡(jiǎn)單的幾何模型(如高斯)來擬合觀測(cè)到的(可見度)數(shù)據(jù)。很多早期的發(fā)現(xiàn)，比如視超光速運(yùn)動(dòng)，都是在非常有限的幾條(甚至一條)基線的情況下、基于簡(jiǎn)單的幾何模型做出的。

　　作者簡(jiǎn)介

　　路如森，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員。2010和2011年分別獲得德國(guó)科隆大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)理學(xué)博士學(xué)位，2018年入選第十四批“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目，研究方向?yàn)楦叻直媛噬潆娞祗w物理。

　　左文文，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員，2014年獲得北京大學(xué)天體物理博士學(xué)位，目前從事高紅移類星體研究和科學(xué)傳播工作?！?/p>