从预言走到眼前 人类有史以来首张黑洞照片诞生的背后

这注定是一个值得记住的时刻。北京时间4月10日21时，人类有史以来捕获的首张黑洞照片公之于世，长久以来“活在传说中”的黑洞终于显露真容。

这是人类第一次真真切切地“看”到黑洞。这张来之不易的黑洞照片，揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。这一黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。这一图像的捕获意味着，百年之前的爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证。

在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿，全球六地以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言同步召开全球新闻发布会，宣布事件视界望远镜(EHT)项目取得的这一重大成果。记者在位于上海南丹路的中国科学院上海天文台，和中国科学家们一同见证了这一激动人心的时刻。

“这是一项由全球200多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。”EHT项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼(Sheperd S. Doeleman)说，“我们已经取得了上一代人认为不可能做到的事情。技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起，打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”

神秘的黑洞背后有着太多秘密等待揭示，令一代代科学家为之着迷。首张黑洞照片透露了哪些信息？天文学家如何费尽周折为黑洞“拍照”，一步步“逼近”黑洞？这一图像的成功捕获意味着什么，将为全球科学研究带来怎样的突破？

黑洞，从预言走到眼前

黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体，在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。它具有超强引力，即便光也无法逃脱它的势力范围——这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境，让时空弯曲，并将周围的气体吸进来。在此过程中，气体的引力能转化成热能，气体的温度变得很高，会发出强烈的辐射。

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论，以其天才的想象力预言了“黑洞”的存在。一年后，德国天文学家卡尔·史瓦西发表了第一个广义相对论方程的完全解，计算出了“史瓦西球体”的出现，这一版本的“黑洞”不带电荷，也不旋转。此后很长一段时间，科学家们尝试各种办法来验证“黑洞”是否真实存在。

在此次拍照前，科学家们通过各种间接证据来表明黑洞的存在：其一，恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞的强引力会对周围的恒星、气体会产生影响，可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在；其二，黑洞会吸积其势力范围里的一切物质，通过它“吃东西”发出的光来判断黑洞的存在；其三，通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

种种类似的证据，无不说明黑洞的真实存在。2015年，人类第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声。但这些都还是间接的，科学家们迫切希望直接“看”到黑洞。这将给科学研究，包括理论解释带来巨大信心。

中国科学院上海天文台台长沈志强研究员告诉记者，“黑洞是一个特殊的天体，也是一种非常简单的天体，要描述它无非弄清楚三个指标：质量、电荷和自转。”天文学家们将宇宙中的黑洞根据质量分成三类：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)。黑洞的势力范围，称作黑洞半径或事件视界(event horizon)。

广义相对论预言，由于黑洞的存在，人们将会看到中心区域存在一个由于黑洞视界而形成的阴影，周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。黑洞阴影则是人类能看到的最接近黑洞本身的图像。

“由于黑洞的尺寸正比于它的质量，黑洞质量越大，黑洞阴影越大。”沈志强说，此次拍照选择的主角——M87中心的黑洞质量巨大，又相对接近地球，是从地球上看过去角直径最大的黑洞之一，也因此成为黑洞成像的一个完美目标。

在天文学家捕获的首张黑洞照片中，黑洞仿佛沉浸在一片类似发光气体的明亮区域中。“我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的，可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克(Heino Falcke)解释，“这个暗影的形成，源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质，也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”

给黑洞拍照有多难

给黑洞拍照到底有多难？有人这样比方，“就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。”

2012年就已参与黑洞观测的中国科学院上海天文台研究员路如森说，这个比方一点不夸张。给黑洞拍照有几大难点：首先是选择合适的拍照对象，然后要共同合作组成一个超级大望远镜，还必须在合适的观测波段——毫米波。“观看电视节目必须选对频道，对黑洞成像而言，在合适的波段进行观测至关重要。”他告诉记者，这对设备精度和灵敏度的要求极高，同时需要“天时地利”的配合。去年4月间的全球观测恰逢历史上最好的天气，取得的数据非常理想。

用什么样的“相机”才能实现给黑洞拍照的宏大计划？这一次的阵容堪称“地球级别”。全球科学界将分布在世界各地的8个射电望远镜(阵)“组合”起来，形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。可以说，正是全球科学界同步的努力，让人类拍摄到有史以来首张黑洞照片。

路如森告诉记者，创建EHT是一项艰巨的挑战，需要升级和连接部署8个现有的射电望远镜来组成全球网络，这些望远镜分布在各具挑战性的高海拔地区——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。科学家们在这些观测台站昼夜不停地记录、分析，2017年4月的EHT观测中每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s，8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据。如果是这么多电影的话，至少要几百年才能看完。

这一次给黑洞拍照到底有多精确？达到的分辨率约20微角秒。“相当于在巴黎的一家路边咖啡馆，可以读到纽约的报纸。”路如森打了这样一个比方。

虽然这些射电望远镜没有实际连接，但借助氢原子钟精确计时，各台望远镜实现了数据记录的同步。这些数据被存储在高性能的充氦硬盘上，随后被空运至马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台，在那里，被称作相关处理机的高度专业化超级计算机对各个台站数据进行处理。最后，借助合作开发的新型计算工具，这些数据被精心处理并用来生成图像。

沈志强介绍，此次黑洞成像采用的是1967年出现的甚长基线干涉测量(VLBI)技术，观测波长是1.3毫米，并且将有望扩展到更短的0.8毫米。值得一提的是，VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位。

全球科学界合作的典范

记者了解到，参与此次事件视界望远镜大型国际合作项目的科研人员达200名之多，其中，来自中国大陆的学者有16人，分别来自上海天文台8人、云南天文台1人、高能物理所1人、南京大学2人、北京大学2人、中国科学技术大学1人、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。

“在捕获首张黑洞图像的过程中，中国科学家做出了极具国际显示度的工作。”沈志强自豪地说。他告诉记者，我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，在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面工作。在此次EHT合作中，我国科学家在早期EHT国际合作的推动、EHT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中国贡献。此外，在2017年EHT全球联合观测的2017年3—5月期间，上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜作为东亚VLBI网成员共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测，为最终的M87黑洞成像提供了总流量的限制。

“我很早就与中国科学家合作研究黑洞，那是20年前，如今他们已是中国受人尊敬的科学家。我很高兴能和他们一起庆祝此次进展。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。”海诺·法尔克说。

毫无疑问，这一次“看见”黑洞的突破性工作是全球科学界合作的典范，离不开数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累，更离不开来自世界各地的研究人员的密切合作。作为多年国际合作的结果，EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新手段。

参与此次观测的望远镜包括 ALMA、APEX、IRAM30米望远镜、James Clerk Maxwell望远镜、大毫米波望远镜(LMT)、亚毫米波阵(SMA)、亚毫米波望远镜(SMT)和南极望远镜(SPT)。马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台的专用超级计算机负责了对原始观测数据的互相关工作。据介绍，随着IRAM NOEMA天文台、格陵兰望远镜和基特峰望远镜的加入，未来EHT的灵敏度将显著提高。

黑洞就在宇宙中，等着人们去探究。黑洞会影响我们的生活吗？黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系？“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点，我们期望也相信，在不久的将来会有更多令人兴奋的结果。”沈志强对此充满信心。