全世界仰望星空，1.3毫米精度让黑洞现真容

“当你凝视着深渊时，深渊也在凝视着你。”若将尼采这句名言嫁接到天文学上，当科学家凝视黑洞时，却连一丝光也看不到……

然而，科学家却以恢弘的想象力、超凡的实验能力和惊人的毅力，组建起了直径相当于地球的“事件视界望远镜”（EHT）。经过两年多不懈努力，终于获得了黑洞在明亮吸积现象和“宇宙火柱”喷流现象衬托下的首张“剪影”——如同一团温暖的烛光，温柔映衬出沉寂黑洞的阴影。

自爱因斯坦1916年提出黑洞理论预言以来，人类终于第一次得到了黑洞存在的铁证！

全球联手，拼接黑洞“剪影”

由于强引力的存在，黑洞里连光都无法逃逸。因此，从理论上来说，人类根本不可能给黑洞主体拍照。不过，根据爱因斯坦广义相对论的预言，黑洞边缘存在着一种名为“黑洞视界”的交界带。在这个交界地带，周围气体会在黑洞强大引力下落入其中，并发出强烈辐射，产生明亮的吸积现象，同时还会喷发出强烈的物质和能量外流，呈现壮观的“宇宙火柱”喷流现象。由此，人类可通过对它的精细描绘勾勒出黑洞轮廓。

然而，要获得这样一幅黑洞“剪影”，难度超乎想象。黑洞研究专家、中国科学院上海天文台副台长袁峰介绍，直接观测黑洞需要极高分辨率的望远镜：如果是光学望远镜，则要为它配备一块直径达几公里的玻璃镜片；如果是红外望远镜，它的口径更要达到几十甚至上百公里；若是毫米波望远镜，其口径将相当于地球直径。

目前，人类技术磨不出几公里口径的玻璃镜片，但依靠甚长基线干涉测量（VLBI）技术，只要将在地球不同地区的毫米波射电望远镜联成网，就相当于组成了一座与地球直径相当的超大望远镜。

创建EHT是一项非常艰巨的工作，需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜来组成全球网络，而这些望远镜分布在全球的高海拔地区，包括夏威夷和墨西哥的火山、美国亚利桑那州山脉、西班牙内华达山脉、智利阿塔卡马沙漠，以及南极点。

2017年4月，科学家将八台射电望远镜组成了巨大的EHT。“通过这些望远镜，我们可以接收到来自黑洞的辐射，如同拼图一般将这些微弱信号累积起来，最终就能获得一幅黑洞‘剪影’。”袁峰说，哪怕是2016年发现的引力波，也只是间接证明黑洞的存在，只有得到真实影像，才是黑洞真实存在的铁证！

黑洞“模特”：人马座A*星和M87

经过两年多数据处理，科学家们终于在北京时间4月10日21时，向全球揭开首张黑洞“剪影”。

这次公布的黑洞照片，拍摄的是银河系外的巨型椭圆星系M87中心黑洞。中国科学院上海天文台台长沈志强解释说，M87中心黑洞是目前已知的最大黑洞之一，距离地球5500万光年，相当于65亿个太阳质量。实际上，超大质量黑洞是相当小的天体，以至于几乎不能被直接看到。由于黑洞质量越大，黑洞阴影越大，M87中心黑洞从地球看过去是角直径最大的黑洞之一，因此成为EHT试图捕获的一个完美目标。

其实，每个星系中心都会有一个黑洞，这次科学家一共观测了六个黑洞，人马座A*星中心黑洞（即“银心黑洞”）也是主要观测对象之一。沈志强告诉记者，银心黑洞距离地球仅约两万五千光年，其质量约为太阳的430万倍，是离地球距离最近的超大质量黑洞。

早在2005年，沈志强领衔的国际天文研究小组就在3.5毫米观测波长的精度下，获得了银心黑洞图像，研究结果发表于《自然》杂志。2018年，科学家获得银心黑洞1.3毫米波长精度的图像，由于参与的望远镜较少，其分辨率不如这次发布的图像高。

观测精度已经提升了不止十倍

“这次，EHT在1.3毫米波观测到了黑洞迄今为止最清晰的图像。”参与EHT项目的中国科学院上海天文台研究员路如森告诉记者，EHT的分辨率达到了20微角秒，这个精度意味着，你可以在纽约阅读一份巴黎街头摊开的报纸。

达到这个精度需要克服难以想象的困难。自上世纪六十年代，天文学家逐渐意识到黑洞可以被观测，就开始了几十年坚持不懈的努力。“从开始到现在，观测精度已经提升了不止十倍。”沈志强介绍，为了突破观测极限，科学家把望远镜造在海拔几千米的高山上，但观测精度又要求望远镜的反射面偏差不能超过60微米，克服温差和材料形变都是必须攻克的难关。而且，数据必须记录在充氦磁盘上；无法联网的八台望远镜必须用氢钟保持同步……

路如森曾在夏威夷麦克斯韦望远镜（JCMT）工作过，他对坚守的日子记忆犹新：稀薄的空气令人感到呼吸困难，24小时值守只分两班，每天还必须将沉重的磁盘扛上机器，不出差错地安装上去。“这的确是段艰苦的日子，但终于实现了我们的梦想！”

“现在才算初步看清了黑洞的样子。”沈志强说，接收到信息后，科学家还需对海量的信息进行处理，“比如南极的数据四月收了之后，直到九十月份才能取到。”科学家将大量时间用在比对、确认上，确保发布的图像准确无误。

在这场漫漫探索中，我国科学家作出了重要贡献。不少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2017年EHT全球联合观测期间，上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜，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。

“接下来，我们准备将观测波段提升到0.8毫米、345G赫兹。”沈志强说，未来随着格陵兰望远镜、基特峰望远镜等的加入，EHT的灵敏度将显著提高，“我们将把黑洞看得更加清晰。”

给黑洞拍张照到底有多难？

细节太小、信号太暗、干扰太多

经过10多年准备，四大洲8个观测点组成虚拟望远镜网络——一个如同地球直径大小的事件视界望远镜，在集齐所有观测数据并深度分析后，让黑洞终于拥有了一张“正面照”。给黑洞拍照的难点，在参与此次大科学计划的专家眼中，可以用三个字来形容：“小”“暗”“扰”——细节太小，信号太暗，干扰太多。

黑洞如此遥远，寻找它如同从地球观察月球上的一个橘子，需要的望远镜口径超乎想象。况且，这个望远镜还要足够灵敏，才能“看”得清极其微小的细节。

自400多年前伽利略发明望远镜以来，人类科技水平的飞速提升让望远镜的口径越来越大、“分工”越来越细。但要给黑洞拍照，依靠人类现有任何单个天文望远镜都远远不够。

这是一个难以想象的大科学计划：用分布全球的8个观测点，组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜。条件苛刻的观测点，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

要顺利拍照，不仅要“看”得远，还要选对频道。“对黑洞成像而言，最佳的波段进行观测至关重要，这个波段就在1毫米附近。”上海天文台研究员路如森说。

不同的望远镜各有所长。正是给黑洞拍照的这一特殊要求，让包括“中国天眼”在内的一些大型望远镜“束手旁观”。

专家解释，这一波段的黑洞电磁波辐射最明亮，而背景“噪音”的干扰又最小。

拍照难，洗照也不易。望远镜记录下的海量数据，需要进行复杂的后期处理和分析，才能获取最终的黑洞图像。

以2017年4月的观测为例，每个台站的数据率达到惊人的32GB/秒，8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。专家表示，如果是像看电影一样不间断地看，这些数据至少需要500多年才能看完。

该国际合作项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼表示，10多年来，正是技术的突破、新望远镜的建成，最终使人类能够“看到”黑洞。（新华社电）

跨越5500万光年的曝光！人类终睹黑洞真容

中国参与全球颠覆性观测拍下首张黑洞照片，爱因斯坦百年猜想应验

爱因斯坦的广义相对论再次被证明是对的！北京时间4月10日21时，由全球13个合作机构共同创建的事件视界望远镜（EHT）团队，在全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京，以及美国华盛顿），以英语、西班牙语、汉语和日语四种语言，同时向全球宣布：经过几十年的探索与积累，天文学家终于成功获得了超大黑洞的首个直接视觉证据——室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞图像。《天体物理学杂志通信》昨天以特刊形式，通过六篇论文发表了这一重大成果。

黑洞是一种非常奇特的宇宙天体，它所具有的极强引力可以使其周围的时空弯曲，并将周围的气体吸入。在此过程中，被吸入气体的引力能转化为热能，使其温度升高并发出强烈的辐射。这使得黑洞沉浸在一片发光气体的明亮区域中，给了人类“拍摄”黑洞“剪影”的可能。

M87黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。它是人类从地球上可以望见的黑洞中，最易观测到的两个之一。为探测遥远黑洞传来的微弱辐射，天文学家构建起了EHT。

EHT把分布在西班牙、智利、夏威夷、南极等地的八台毫米波射电望远镜“组合”起来，形成一个口径如地球大小的虚拟望远镜。凭借EHT具有的空前灵敏度和分辨率，科学家在1.3毫米观测波段，捕获到了一个环状结构及其中心的暗弱区域，即黑洞阴影。

“我们已经取得了上一代人认为不可能做到的事情。”EHT项目主任谢泼德·多尔曼说，“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法汇聚到一起，打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”

“令人惊讶的是，我们所观测到图像的许多特征与理论预言相一致。”EHT董事会成员保罗·胡认为，这使科学家对观测的理论解释，包括对黑洞质量的测量，都充满信心。

这是一项由全球200多位科研人员组成的团队完成的非凡成果，中国大陆有16名科学家参与，并在观测技术与科学理论研究上作出了重要贡献。中国科学院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立了中国科学院天文大科学中心参与到EHT项目中。“对M87中心黑洞的顺利成像，绝不是EHT国际合作的终点。”中国科学院上海天文台台长沈志强研究员透露，目前天文学家已在尝试开展0.8毫米波段的观测——分辨率比现在提升2.6倍，人类对黑洞的认识还将不断深入。

作者：本报见习记者 金婉霞 首席记者 许琦敏

编辑：施薇

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