【黑洞是什么東西組成的 黑洞照片怎么拍的難度多大？】北京時間4月10日21點，全球六地(比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓)將以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言，通過協(xié)調(diào)召開全球新聞發(fā)布會，事件視界望遠鏡(EHT)將宣布一項與超大質(zhì)量黑洞照片有關(guān)的重大成果。在上海，EHT項目和中國科學(xué)院將在中科院上海天文臺共同發(fā)布這一重大成果。

　　黑洞是什么？為什么要給黑洞拍照？什么樣的望遠鏡可以對黑洞成像？給黑洞拍照難在哪里？……在備受矚目的黑洞照片揭開神秘面紗前夕，參與EHT項目的中科院上海天文臺向媒體提供了一系列黑洞相關(guān)科普知識——

1. 給黑洞拍照，是要拍一張怎樣照片？天文學(xué)家期望拍一張怎樣照片？

　　廣義相對論預(yù)言，由于黑洞的存在，我們將會看到中心區(qū)域存在一個由于黑洞視界而形成的陰影(shadow)，其周圍環(huán)繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)，由于黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同，光環(huán)的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(注：史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑)。

2. 為什么要給黑洞拍照？

　　對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。黑洞具有強引力，因此給黑洞拍照，最重要的目的是在強引力場的極端環(huán)境下驗證愛因斯坦的廣義相對論，并同時細致研究黑洞周圍的物質(zhì)吸積和噴流的形成及傳播。

3. 什么樣的黑洞適合拍照？

　　黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)非常非常小，在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞的照片，毫無疑問要找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為對象。

　　由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也就意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大，因此近鄰的超大質(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* 是兩個目前已知最優(yōu)的候選體。

　　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， 這相當(dāng)于一個蘋果在月球上的角直徑大小(月球的角直徑是30角分)。M87中心的超大質(zhì)量黑洞(M87*)的黑洞陰影看起來要比銀心的黑洞陰影略小，約為37-40微角秒。

4. 什么樣的望遠鏡可以對黑洞成像？

　　要對黑洞成像，必須要保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節(jié)足夠小，從而能保證看得到和看得清。滿足這些條件，最好的工具莫過于1967年出現(xiàn)的甚長基線干涉測量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技術(shù)(值得一提的是，該VLBI技術(shù)也成功應(yīng)用于中國嫦娥探月工程的探測器的測定位)。假定在1毫米波長觀測，一個長度為1萬千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)。

　　不過，大家可千萬別以為，只要VLBI陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。因為，情況沒那么簡單。如同觀看電視節(jié)目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關(guān)重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。

5. 此次拍照使用的視界望遠鏡(EHT)是一臺什么樣的望遠鏡？

　　為了捕獲第一張黑洞圖像，全球超過200名科學(xué)家達成了EHT這一重大國際合作計劃。EHT觀測所利用的技術(shù)就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3mm，并且將有望擴展到更短的0.8mm。

　　EHT合作者們在2017年4月份到多個世界上最高、最偏僻的射電天文臺，以一種愛因斯坦永遠也不會想到的方式去檢驗廣義相對論。參與此次觀測的包括位于世界6個地點的8個臺站(Atacama Pathfinder Experiment, APEX; Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array, ALMA; IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope, SPT; James Clark Maxwell Telescope, JCMT; Large Millimeter Telescope, LMT; Submillimter Array, SMA; Submillimeter Telescope, SMT)。其中，JCMT目前由東亞天文臺負責(zé)運營，是中國大陸及臺灣地區(qū)、韓國以及日本的共同合作項目。

　　2017年4月份參加EHT觀測的8個臺站，實線連接的為觀測M87的7個臺站，虛線連接的為觀測一個校準源(3C279)的臺站。圖片來源：“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”。

6. 給黑洞拍照，難在哪里？

　　一是要選擇合適的拍照對象——近鄰的超大質(zhì)量黑洞是完美的黑洞成像候選體；二是要共同合作組成一個超級大望遠鏡——視界望遠鏡(EHT)：三是必須在合適的觀測波段——毫米波；四是面對VLBI所記錄的龐大數(shù)據(jù)量，進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)后期處理和分析，獲取最終的黑洞圖像。據(jù)介紹，2017年4月份的EHT觀測中每個臺站的數(shù)據(jù)率達到驚人的32Gbit/s， 8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)。天文學(xué)家打比方說，這么多數(shù)據(jù)如果是電影的話，至少要幾百年才能看完。

7. 黑洞是什么？

　　理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)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(event horizon)。

　　宇宙中，天文學(xué)家們根據(jù)質(zhì)量將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬倍太陽質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于前兩者之間)。

8.為什么要研究黑洞？

　　黑洞就在宇宙中，黑洞自身有一堆讓人著迷的秘密，等著人類去研究。第一，在人類居住的銀河系中中心就有一個超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大約400多萬倍太陽質(zhì)量；第二，這顆超大質(zhì)量黑洞會影響人類的生活嗎？第三，銀河系中除了這個超大質(zhì)量黑洞外，還有很多恒星級黑洞，它們和人類有關(guān)系嗎？第四，黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關(guān)系，這也是天文學(xué)家非常關(guān)心的領(lǐng)域。

9. 如何確認黑洞的存在？真的有黑洞嗎？

　　黑洞的名字，乍一聽，黑的洞，那是不是表明沒法看見；如果沒法看見，那怎么就知道它存在呢？在這次拍照前，天文學(xué)家們是通過各種間接的證據(jù)來表明黑洞的存在，主要有三類代表性證據(jù)。

　　第一，恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

　　第二，根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)(類似于“吃東西”)發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。

　　第三，通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

　　還有很多類似的證據(jù)，無不說明了黑洞真實存在。但這些還是間接的證據(jù)，人類還想直接“看”到黑洞，于是，通過全球科學(xué)家的廣泛合作和持續(xù)努力，終于直接拍到即將問世的首張黑洞照片。

　　中國科學(xué)家在視界望遠鏡(EHT)項目中有哪些參與？視界望遠鏡未來還會有怎樣的成果值得期待？當(dāng)然，如果你想知道更多(EHT)項目情況，更多了解人類首張黑洞照片詳情，就請耐心等待并關(guān)注幾小時后舉行的全球同步發(fā)布會。