凝视“深渊”黑洞到底长什么样子

天文学家捕获的首张黑洞照片。（事件视界望远镜合作组织供图）

　　上帝说，要有光，于是就有了光。

　　有一个地方可能除外。黑洞具有非常强大的引力场，使得光都无法逃脱它的势力范围。这个势力范围，就叫做事件视界。

　　这也让黑洞成为了宇宙中最为神秘的天体之一。2015年电影《星际穿越》中对黑洞形象的描画，更是令无数人浮想联翩。

　　然而，真实的黑洞到底长什么样？

　　4月10日，事件视界望远镜（EHT）国际合作组织在全球六地同步召开新闻发布会，宣布他们已经捕获了首张黑洞照片。《天体物理学杂志通信》以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大成果。

黑洞，只是说说而已？

　　黑洞并不是一个什么新鲜词儿。在理论上，它是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。

　　根据质量，天文学家将宇宙中的黑洞分为恒星级质量黑洞（几十倍至上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）三类。

　　证明黑洞的存在是天文学家孜孜不倦的追求，但受到观测手段的限制，直到上世纪60年代，科学家对黑洞都还只能是“说说而已”。

　　“很久之后人类才意识到，原来可以通过技术的革新，在宇宙中搜寻这个黑洞。”中国科学院上海天文台台长沈志强说。

　　但是，这一过程并不顺利。

　　由于黑洞是一个完全黑暗的天体，在一定范围内，就连光线都无法从中逃脱。

　　此外，由于黑洞距离地球非常遥远，以往的天文观测设备想要看到黑洞，可以说是“心”有余，而分辨率不足。

　　因此，天文学家只能通过寻找一些间接证据来证明黑洞的存在，比如观察周围恒星运动、吸积盘、喷流乃至引力波等等。

　　好奇的人类怎会止步于此？近年来，科学家开始着手实施一个宏伟的计划。

跟地球一样大的望远镜

　　为了能“看见”黑洞，全球200多名科学家组成了EHT合作组。

　　2017年4月，他们挑选了世界上多个海拔最高、位置最为偏僻的射电天文台，包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点共计6个地区8个台站，打算以一种爱因斯坦从未想过的办法观测黑洞。

　　“黑洞的观测要求非常高，而地球受到大气层的保护，很多电磁波无法穿透大气，只有在海拔三四千米的山上，才有可能观测到这些信号。”沈志强告诉《中国科学报》。

　　地址选定后，科研人员使用了甚长基线干涉测量技术使世界各地的射电望远镜实现组网，并进行同步观测，同时利用地球自转组成了一个口径如地球大小、观测波段为1.3 毫米的虚拟望远镜，其精度足以让一个人在巴黎的咖啡馆阅读纽约的一张报纸。

　　“这些望远镜并没有实际连接起来。”中科院上海天文台研究员路如森说，“它们之间是借助氢原子钟进行精确计时，实现了数据记录的同步。所有的数据汇总起来之后，科学家利用新型的计算工具，最终生成了黑洞的图像。”

“真身”现身

　　这个巨大的望远镜所达到的灵敏度和分辨率是前所未有的，在这只“大眼睛”的帮助下，科学家终于见到了黑洞的“真身”。

　　这张图片揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，这个黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。

　　这也是人类距离黑洞最近的一次。

　　整张照片所获取的图像，仅为黑洞事件视界尺寸的2.5倍。相比之下，人类以前的一些模糊的观测结果只能说距离黑洞还有“十万八千里”。

　　“我们捕获到了黑洞的首张照片。”EHT 项目主任谢泼德·多尔曼说，“这是一项由200 多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。”

　　最为重要的是，这张照片使得爱因斯坦的广义相对论得到了首次试验验证。

　　科研人员进行了多次独立的EHT 观测，通过多个校准以及不同的成像方法，均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域，即黑洞阴影，而这也正是爱因斯坦所预言的。

　　“爱因斯坦是对的，他的广义相对论经受住了考验，我们对黑洞的理解也是正确的。”沈志强说，“这是一个值得被历史铭记的时刻。”

中国贡献

　　中国科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究，EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。

　　在此次合作中，中国科学家在早期国际合作的推动、望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面作出了自己的贡献。

　　此次的成果得到了中科院天文大科学研究中心的支持，该中心由国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立，是EHT一个合作机构的成员。

　　而在200多名科研人员中，来自中国大陆的学者有16人：中科院上海天文台8人、中科院云南天文台1人、中科院高能物理研究所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人和华中科技大学1人。另外，还有部分来自中国台湾地区的学者。

　　“我很早就与中国科学家合作研究黑洞，很高兴我们能一起庆祝今天的进展。”EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克说，“在天文学、射电天文学、太空天体物理等领域，中国在这个全球项目中作出了非常重要的贡献。”

　　“对M87中心黑洞的顺利成像绝不会是EHT国际合作的终点站。”沈志强说，“我们期望也相信，在不久的将来，EHT会有更多令人兴奋的结果。”