茍利軍　黃月

2019年4月10日21點(diǎn)，人類(lèi)首張黑洞照片在全球6地的視界面望遠(yuǎn)鏡發(fā)布會(huì)上同步發(fā)布。

經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的等待，在全球200多位科學(xué)家的努力之下，第一張黑洞照片新鮮出爐。

長(zhǎng)久以來(lái)在電腦上模擬得到的黑洞形象，第一次真實(shí)地呈現(xiàn)在我們的眼前。在這張來(lái)自視界面望遠(yuǎn)鏡的照片里，M8了中心黑洞如同電影《指環(huán)王》中索倫的魔眼，在溫暖而神秘的紅色光環(huán)中間，是一片深黑的無(wú)底之洞。

這個(gè)圓環(huán)的一側(cè)亮一些，，另一側(cè)暗=些，原因在于吸積盤(pán)的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)一朝向我們視線運(yùn)動(dòng)的區(qū)域由于多.普勒效應(yīng)而變得更亮，遠(yuǎn)離我們視線運(yùn)動(dòng)的區(qū)域會(huì)變暗。中間黑色的區(qū)域就是黑洞本身——光線無(wú)法逃離之處。

19.8年，美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”的概念，而100多年前德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西就、對(duì)黑洞做出了精確解，今天我們又收獲了第一張黑洞的照片，人類(lèi)對(duì)黑洞和宇宙的認(rèn)識(shí)又邁出了關(guān)鍵一步。

在2017年4月全球8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”并拍下第一張黑洞照片之時(shí)，我們就曾寫(xiě)到，“人類(lèi)第一次看到黑洞的視界畫(huà)，無(wú)論我們最終得到的黑洞圖像是什么樣子——是像電影畫(huà)面一般壯觀恢宏，或者只有幾個(gè)模糊的像素點(diǎn)——事件視界望遠(yuǎn)鏡都意.義非凡，這是我們?cè)诤诙从^測(cè)史上邁出的重要一步。觀測(cè)結(jié)果不僅僅是一張照片那么簡(jiǎn)單，它一方面呼應(yīng)著愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。我們將成為有史以來(lái)第一批‘看見(jiàn)黑洞的人類(lèi)，真是好運(yùn)氣。

兩年之后，這張寶貴的照片向幸運(yùn)的我們也提出了更多的問(wèn)題。

這張值得全世界6地同時(shí)興師動(dòng)眾發(fā)布的照片，究竟是怎么拍出來(lái)的？

在過(guò)去10多年時(shí)間里，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了其他研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開(kāi)展了激動(dòng)人心的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)。

它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。

事實(shí)上，亞毫米波段和我們非常熟悉的可見(jiàn)光有著天壤之別。這個(gè)波段我們是無(wú)法直接看到的，所以利用亞毫米波段給黑洞拍照，其實(shí)就是得到黑洞周?chē)椛涞目臻g分布圖。

對(duì)于我們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片來(lái)說(shuō)，它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點(diǎn)，我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。

盡管是在單個(gè)頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測(cè)，但由于黑洞周?chē)煌瑓^(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同，我們可以得到一個(gè)光子強(qiáng)度分布圖，然后假定不同的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”。圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的顏色——這也可以解釋M87的照片為什么是魔眼色，而不是電影《星際穿越》中黑洞“卡岡圖雅”的亮黃色。

光學(xué)照片的清晰度取決于分辨率。根據(jù)天文學(xué)家所了解的知識(shí)，要想提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，我們可以做兩方面的努力：一是降低觀測(cè)頻段光子的波長(zhǎng)（等價(jià)于增強(qiáng)能量），二是增加望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。這一次，通過(guò)VLBI技術(shù)對(duì)全球8個(gè)不同地方的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，我們得到了一個(gè)口徑達(dá)l萬(wàn)千米的望遠(yuǎn)鏡。在VLBI技術(shù)相對(duì)成熟的射電波段之內(nèi)，科學(xué)家們選擇了能量最高的區(qū)域——毫米和亞毫米波段。

電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞有著深不見(jiàn)底的黑色中心與立體清晰的氣體圓環(huán)，此次發(fā)布的照片里的M8了為何模糊許多？

然而，盡管我們現(xiàn)在的亞毫米望遠(yuǎn)鏡基線已經(jīng)達(dá)到了l萬(wàn)千米，但由于空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測(cè)的有限區(qū)域內(nèi)，分辨率就相當(dāng)于有限的幾個(gè)像素。在《星際穿越》電影當(dāng)中，天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞形象，包括吸積盤(pán)的許多具體細(xì)節(jié)都通過(guò)技術(shù)手段呈現(xiàn)了出來(lái)。然而在真實(shí)的情況下，我們?cè)谡掌兄荒芸吹轿e盤(pán)上的幾個(gè)亮斑而已。

隨之而來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是，既然我們可以將兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡放置得很遠(yuǎn)從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，那么我們能否只用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡來(lái)完成黑洞照片呢？

很遺憾，不行。觀測(cè)要求的不僅僅是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié)，而高靈敏度則能夠讓我們看到更暗的天體。

如果未來(lái)能讓更多望遠(yuǎn)鏡加入到這個(gè)陣列，我們就能探測(cè)到更弱的輻射區(qū)域，看到更多的細(xì)節(jié)，得到一張更加清晰的黑洞照片。

視界面望遠(yuǎn)鏡201了年開(kāi)始給黑洞拍照片，2019年才發(fā)布成果，為什么這張簡(jiǎn)單而“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？

首先，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年時(shí)8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了IOPB（相當(dāng)于10240太字節(jié)），2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量讓數(shù)據(jù)處理的難度不斷加大。

其次，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程當(dāng)中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題，比如黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)有著非常多的不確定性。為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家們還專門(mén)開(kāi)發(fā)了特定的程序和工具。

最后，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們?cè)趦蓚€(gè)不同的地方分別處理、分別驗(yàn)證。這兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)位于美國(guó)的麻省理工學(xué)院，另外一個(gè)位于德國(guó)的馬普射電所。二者彼此獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗(yàn)證和校對(duì)，保證了最終結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。