时间黑洞(找出自己的时间黑洞)

今天注定是天文学和物理学的重要一天。这一天安排了六场国际记者招待会。在这些会议上，我们见证了人类拍摄的第一张黑洞照片的发表。

美国东部时间4月10日上午9点(北京时间10日21点)，视界望远镜协作组织(Event Horizon Telescope Collaboration，以下简称EHT)在美国华盛顿、布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海、日本台北和东京同时发布了这张期待已久的照片。

发布的图片显示了黑洞旋转引起的多普勒效应。

这张黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系梅西耶87中心的黑洞。黑洞距离地球5500万光年，质量是太阳的65亿倍。图中央的暗区就是“黑洞阴影”，它告诉我们爱因斯坦是对的！

这张图像的很多特征完全符合爱因斯坦广义相对论的预言，广义相对论在强引力的极端环境下得到进一步验证。中科院上海天文台研究员袁峰在现场表示，现在看到的照片一般有两部分，一部分是中心区域不太发光的阴影，另一部分是这个阴影周围闪亮的圆环。圆环发出的光是从吸积盘发出的，黑色的影子比黑洞本身大好几倍，印证了爱因斯坦广义相对论的预言。

第一次凝视深渊。

“黑洞是多年来广义相对论预言的存在。目前我们在理论上一直怀疑黑洞确实存在，在观测上也取得了一些进展。但现在我们真的能看到它的存在，这很值得期待。”在大会之前，DeepTech联系了中国科学院国家天文台研究员陈，他在解读大会的意义时这样说道。

1915年，广义相对论问世，成为爱因斯坦提出的革命性理论之一。在这个理论中，爱因斯坦提出了物质何时会发生扭曲或弯曲的空几何结构，人类以引力的形式感受到了这种时间空扭曲，黑洞是爱因斯坦理论的首批预言之一。

在接下来的一百多年里，无数影视作品和科幻小说将黑洞作为宇宙中神秘、迷人和危险的形象之一，带到了普通大众的视野中，包括诺奖得主基普·索恩和已故的物理学家霍金，他们都写过书来解释黑洞的奇妙场景。

法国电视纪录片视频中的黑洞图像包括多普勒失真和不对称(来源:JAMARCK/J.-P. LUMINET)

但它总像是一个遥远地方的“都市传说空，人类迎来了一批黑洞存在的间接证据:附近恒星轨道的引力摆动、星际气体云的变化、气体喷流的喷射等等。一些超大质量黑洞隐藏在宇宙各大星系的核心区域，但就连爱因斯坦本人也不确定它们是否真的存在。

荷兰雷德堡大学的射电天文学家海诺·法尔克(Heino Falcke)曾这样评价黑洞:“它们是时间的尽头空，也可能代表着人类知识的终极极限。”

第一张真正的黑洞图像，将揭开第一张覆盖黑洞的“面纱”，把它从一个原本神秘的东西，改造成一个人类可以借鉴的实体。也许这张图最值得期待的部分是广义相对论的验证。在大会召开之前，人们期望这张事件视界的图片可以用来测试黑洞物理学的基础理论，例如测量事件视界的形状和大小，并有助于测试许多与黑洞相关的天文和物理理论。此外，天体物理学家还希望EHT数据能够帮助他们解释巨大的物质流(喷流)以接近光速的速度从黑洞的两侧喷射出来。

电影《星际中的黑洞》(Gargantua)由伦敦视觉特效公司Double Negative制作(图片来源:London.afarchive/alamystock图片)。

众所周知，黑洞是宇宙中一种质量异常巨大的特殊天体，其质量可达太阳的数百亿倍。它是足够质量的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力坍缩而形成的。它巨大的质量产生了巨大的引力，以至于任何靠近黑洞的东西都无法逃脱它的引力。即使是最快的光也逃不掉。

黑洞会吸收所有的电磁辐射，这意味着无论是我们用来接收天体无线电波的射电望远镜，探测地球大气层外来源发出的X射线并将其分辨成图像的X射线望远镜，收集可见光并便于视觉观察和拍摄的光学望远镜，甚至是运行在地球低轨道并大面积巡天以研究天体物理或宇宙现象的费米伽马射线望远镜空都不能。

图?《自然》杂志此前发布的首个预期黑洞图片(来源:《自然》)

在黑洞周围，有一个不可探测的事件视界。它是光线能从黑洞逃逸的最近距离，所以在活动视界内无法被探测到，像黑暗一样，因此得名黑洞。视界的存在阻止了黑洞被直接观测到。然而，在黑洞周围有一圈可观测的物质。这些物质围绕黑洞高速旋转，形成一个圆盘，天文学家称之为吸积盘。

(来源:阳光灯塔)

吸积盘是黑洞的光环。这个明亮的环中间是暗的。听起来没有土星光环那么和谐美好。如果我们观察吸积盘，我们会发现它是扭曲的。这是因为黑洞对光有很强的弯曲能力，黑洞背面吸积盘发出的光也会被正面周围的我们看到。

虽然我们看不到黑洞内部，但是如果黑洞后面有一个明亮的背景，我们就可以看到黑洞吸收形成的阴影，看起来就像一个“黑洞”。黑洞附近的超高温气体可以发出波长约为毫米的无线电波，可以穿透星系中的气体到达地球。

陈告诉DeepTech，这张图片可以帮助我们了解黑洞周围以及黑洞本身的信息，比如它的质量、自旋以及对周围环境的影响。在验证广义相对论时，“如果预言不完全一致，我们可以期待是否有更深层次的理论可以解释其中的一些不一致。广义相对论提出后，科学家也产生了很多修正的理论，比以前的一些理论更复杂。通过这种观察，可以观察实际情况是否会有所不同。”此外，他还提到，除了验证广义相对论，还可以验证其他物理理论，比如经典相对论。如果考虑量子力学，还需要用原子级的照片来检验模型。当然，这需要非常高精度的照片才能实现。

图2008根据广义相对论，当太阳将弯曲空时，行星将绕其运行。中子星会更严重地弯曲时间空，而黑洞会在时间空中制造一个深坑，连光都逃不掉(图片来源:詹姆斯·普罗沃斯特)

除了照片中的信息，团队收集的原始数据可能还有其他研究价值。“这就像淘金，发布的照片就像是最后从沙子里淘出来的金子。当然，这些原始数据可能有一些其他的价值，一些人可能会继续从中发现新的黄金，”陈说。

总之，在这个浩瀚的时间里，宇宙的每一次新发现都让人类感到自己的渺小。黑洞是绝对死了还是不死了，将在未来漫长的道路上揭晓。随着这张照片的诞生，人类有了更多的机会去检验曾经被认为“无法验证”的理论，继续凝视宇宙和生命的深渊。

不可能的任务:我们需要一个和地球一样大的望远镜。

与LIGO之前对引力波的探测类似，这张可能是今年最重要的科学发现的照片诞生的背后，也有一个庞大而杰出的全球研究团队和强大的科学仪器，历时两年才最终问世。

2016年，天文学家启动了一项名为“EHT，视界望远镜”的国际观测项目。EHT在全球使用了8台独立的射电望远镜，组成了一个前所未有的大型望远镜阵列，包括亚毫米望远镜(SMT)；IRAM 30米望远镜；APEX望远镜；詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜(JCMT)；大型毫米波望远镜(LMT)；亚毫米阵列望远镜；阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)；和南极望远镜。

视界望远镜由世界上的8台望远镜组成(来源:apex，iram，g. narayanan，j. mcmahon，jcmt/JAC，s. hostler，d. Harvey，ESO/c. malin)。

在VLBI技术(甚长基线干涉测量)的帮助下，8台望远镜模拟了一个地球大小的巨型望远镜，达到了它的最佳分辨率:20微角秒，这对于观测黑洞来说刚刚好，但是得到的图像非常模糊。

EHT于2017年4月首次投入全面运行，所有黑洞数据都是在那次运行中获得的。在此期间，8台射电望远镜瞄准了银河系中心的一个超大质量黑洞人马座A *和M87星系中心的一个黑洞。其中，人马座A*位于银河系中心，质量约为太阳的四百万倍；另一个更大的黑洞是室女座星系的M87黑洞(Messier 87)，它的质量是太阳的70亿倍。

虽然它们很大，但在EHT的照片中却很小。根据一位在EHT工作的天文学家的说法，人马座A*黑洞的宽度约为50微角秒(角单位)。从月球上看，一微秒大约是地球上一篇文章结尾句号的大小。

最终，EHT对这两个黑洞总共观测了大约5个晚上，产生了4pb的数据(转换成MP3格式需要8000年才能听完)。收集的数据量如此之大，这也是为什么公众需要两年时间才有机会看到黑洞的全貌。

在照片出来的过程中，不同的望远镜需要重新校正其采集数据的时间和相位，以实现多个数据的同步。这本身就是一项繁琐的工作，数据的后期处理更耗费精力。如此庞大的数据量，网络带宽是不够传输的。相反，研究人员将数据复制到硬盘上，并通过快递硬盘实体交换数据，这已经成为一种比网络传输更快的方式。

(资料来源:J. A. MARCK/J.-P. LUMINET)

因此，该团队在过去两年中不断分析、校准和关联数据。法国天文学家Jean-Pierre Luminet在巴黎天文台工作，专注于黑洞的可视化，他在接受《科学》采访时也表示，黑洞“可视化”的难点在于“物化”一个定义上不可见的物体。从事专业黑洞可视化工作多年，包括影视作品的黑洞计算机模拟。

交通不便，加上巨大的分析任务量，使得这个宇宙中的幽灵两年后才与世人见面。

但是在研究过程中，研究小组的成员都充满了信心。在一次TED演讲中，来自麻省理工学院的EHT研究员凯蒂·伯曼(Katie Berman)曾这样介绍自己的感受——“我在项目开始时没有任何天文学背景知识，但团队通过这种独特的合作所取得的成就，可以让世界上第一张黑洞照片诞生”。

图凯蒂·伯曼(来源:TED)

据她介绍，团队要观测的黑洞离地球太远了。“从地球上看，它非常非常小——大约和月球上的一个橙子一样大。这使得拍摄它变得极其困难……我们可以很容易地算出我们需要的望远镜的大小:它有整个地球那么大”。

然而，建造一个地球大小的射电望远镜是不可能的。她选择相信米克·贾格尔的名言，“你不可能永远得到你想要的，但有时你可能只是通过尝试找到你需要的。”

我们可以看到，后来，EHT选择连接世界各地的望远镜，团队中的计算机科学家开发了一种特殊的图像算法，根据望远镜提供的散射和干扰数据生成最终的图像。

凯蒂·伯曼认为，像EHT这样的项目的成功是不同学科的研究人员用他们各自的专业知识创造的结果。

“我们是天文学家、物理学家、数学家和工程师的大熔炉。这就是为什么我们可以很快实现一项看起来不可能的成就……在这里，我想鼓励你们所有人走出去，推动科学的边缘，尽管起初它可能看起来像黑洞一样神秘，”她说。

图片:1610年1月7日，伽利略用自制的望远镜发现了木星周围的四颗卫星。大约400年过去了，我们观察宇宙的“眼睛”和“视野”正在走向极限。