原標(biāo)題：第一張黑洞照片是如何拍出來(lái)的？你想知道的都在這里了！
國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）剛剛?cè)蛲�，發(fā)布了2017年4月拍攝的室女A星系（M87）中心的黑洞照片。雖然我有點(diǎn)小小的失望，一是此前就以吊足我們胃口的銀河系中心黑洞照片并沒(méi)有出來(lái)；二是直接成像的黑洞照片并不像此前期待中那樣極度壯觀，事前想象的驚掉下巴也楞沒(méi)掉下去。不過(guò)這畢竟是人類(lèi)歷史上第一次直接拍攝到黑洞照片，肯定有很多朋友急切地想知道，為什么我們看到第一張黑洞照片如此模糊，拍攝會(huì)如此艱難，需要等待如此漫長(zhǎng)的時(shí)間，以至一生研究黑洞，對(duì)黑洞理論發(fā)展做出主要貢獻(xiàn)的英國(guó)著名理論物理學(xué)家霍金，也無(wú)法在有生之年一睹它的風(fēng)采，而抱憾離去。
黑洞是什么？
雖然大家早已對(duì)黑洞熟悉得不能再熟悉了，我首先還是要提出這個(gè)問(wèn)題。我們的宇宙極為空曠，相當(dāng)于平均每四立方米空間里只有一個(gè)質(zhì)子，然而這并不是宇宙的真實(shí)情況，因?yàn)榻^大多數(shù)物質(zhì)都聚集在一起，形成了星系、恒星及行星等天體，宇宙中絕大多數(shù)地方的密度比這還要小得小得多！宇宙就像一張巨大的，無(wú)邊無(wú)際的網(wǎng)，星系、恒星、行星等物質(zhì)就是網(wǎng)本身，而網(wǎng)間的空白則是宇宙真空，所有天體都靠引力編織在一起。
在我們眼里的宇宙，恒星占據(jù)了絕對(duì)主力的位置，向上，它組成了星系，向下，它維系著行星、衛(wèi)星及小行星、碎片等組成的恒星系統(tǒng)，是我們地球生命之所以能誕生的關(guān)鍵。
宇宙中的恒星，都是由氫聚集在一起形成的。有質(zhì)量很小的紅矮星，約占宇宙中恒星總數(shù)的73%，我們太陽(yáng)周?chē)罱?5顆恒星，有50顆都是紅矮星。由于紅矮星質(zhì)量較小，氫在其中心聚變反應(yīng)的速度較慢，因此可以穩(wěn)定燃燒數(shù)萬(wàn)億年到十幾萬(wàn)億年的時(shí)間，而目前宇宙整個(gè)才形成137億年，因此對(duì)我們來(lái)說(shuō)，紅矮星幾乎可以說(shuō)是永恒的存在，沒(méi)有生命的盡頭。
像我們太陽(yáng)大小的恒星，其壽命大約有100多億年。在生命周期的末期，太陽(yáng)會(huì)因核心溫度升高加快氫聚變，釋放更多能量變成紅巨星，將水星、金星甚至地球都吞沒(méi)；太陽(yáng)中心的氫燃燒完后，會(huì)在1億度高溫下點(diǎn)燃氦聚變，燃燒氫聚變生成的氦，逐步形成致密的白矮星核心。經(jīng)過(guò)不斷的氦閃和脈動(dòng)，太陽(yáng)外層的氣體被不斷驅(qū)離，最后裸露出核心的白矮星，太陽(yáng)就會(huì)停止聚變反應(yīng)，變得和地球差不多大。
比太陽(yáng)更大的恒星，如果最后剩下的致密核心超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，就會(huì)經(jīng)歷超新星爆炸，核心在引力作用下急劇坍縮成中子星，直徑只有十多公里；而如果質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的3.2倍以上，就會(huì)坍縮成我們今天的主角——黑洞。
所以黑洞是聚集在一起的物質(zhì)無(wú)法對(duì)抗自身引力而坍縮形成的致密天體，是宇宙中時(shí)間和空間破裂的地方，宇宙的物理定律在黑洞里面已經(jīng)不起作用了，你甚至可以把它理解為一個(gè)和我們宇宙無(wú)關(guān)的地方，我們誰(shuí)也不知道進(jìn)了這個(gè)洞，會(huì)去到哪里，會(huì)發(fā)生什么。
超大質(zhì)量黑洞是什么？
上面所說(shuō)的是恒星黑洞，也就是恒星坍縮后形成的黑洞。實(shí)際上還有一類(lèi)黑洞叫超大質(zhì)量黑洞，在每個(gè)星系的中心都至少有一個(gè)這樣的黑洞，利用其引力將整個(gè)星系凝聚成形。這類(lèi)黑洞質(zhì)量最小的也有幾十萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，最大的可能有數(shù)百億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
超大質(zhì)量黑洞的形成，一種是緩慢吸積周?chē)镔|(zhì)形成的；一種是數(shù)十萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的星云，逐步萎縮成相對(duì)論星體后，不經(jīng)歷超新星爆炸而直接坍縮形成黑洞；還有就是核心正在坍縮的高密度星團(tuán)，在大爆炸瞬間從外向內(nèi)壓直接制造原生黑洞。
另外還有微型黑洞，或稱(chēng)為量子黑洞，以及介于恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的中介質(zhì)量黑洞，迄今為止都還只在理論上存在，科學(xué)家們從未觀察到。
總之，不管采取什么辦法，只要你能夠?qū)⒆銐蚨嗟奈镔|(zhì)，裝入足夠小的空間，就能夠制造出黑洞。比如歐洲核子研究中心的LHC強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，就曾被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生微型黑洞，甚至一度引起巨大恐慌。
黑洞像什么？
黑洞的所有質(zhì)量都集中在中心那個(gè)密度趨近于無(wú)限的奇點(diǎn)。由于黑洞引力奇大，周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)任何物質(zhì)都無(wú)法逃脫，而只有乖乖地等待著被吸進(jìn)奇點(diǎn)，沒(méi)有任何辦法可以再重返這個(gè)宇宙。比如你被吸進(jìn)黑洞后，你和這個(gè)宇宙的唯一交集，也就只剩下你的質(zhì)量帶來(lái)的引力了。
這個(gè)所謂的一定范圍，就是黑洞的事件視界。黑洞的引力是如此強(qiáng)大，以至于在這個(gè)視界表面，連光都無(wú)法逃離——進(jìn)入這個(gè)視界，你就被這個(gè)世界徹底屏蔽了，你所發(fā)生的一切事件，這個(gè)宇宙都不再有任何人能看見(jiàn)。大概這就是事件視界這個(gè)名稱(chēng)的由來(lái)，視界之外，你還是你，視界之內(nèi)，誰(shuí)也不知道你是什么了。
由此你就可知道黑洞像什么了。黑洞實(shí)際不是一個(gè)洞，而是完全黑色的球體——由于光線無(wú)法逃離視界，我們能看到的黑洞就是一個(gè)以視界為半徑的純黑球體。黑洞質(zhì)量越大，視界半徑也越大。由于視界半徑與黑洞質(zhì)量成正比，而視界內(nèi)的體積以三次方增長(zhǎng)，所以質(zhì)量越大的黑洞，其視界內(nèi)的密度反而越小，一些超大質(zhì)量的黑洞，其密度甚至比空氣還輕！
然而，宇宙空間極其廣袤，最主要的是極其空曠，到處都漆黑一團(tuán)，一個(gè)純黑的球體在里面，你就可想而知了，所以黑洞像什么，我寫(xiě)到這里，實(shí)際還是沒(méi)有答案。一些科學(xué)家甚至認(rèn)為，太空中可能存在很多很多這種看不見(jiàn)的黑洞，宇宙中憑空消失的大部分物質(zhì)——暗物質(zhì)，可能就是由這些黑洞構(gòu)成的，當(dāng)然，這個(gè)假設(shè)并不是目前關(guān)于暗物質(zhì)的主流理論。
如何才能看見(jiàn)黑洞？
可能你已經(jīng)迫不及待想問(wèn)了，究竟怎樣才能看見(jiàn)黑洞��？
黑洞雖然看不見(jiàn)，但它擁有強(qiáng)大的引力，可以和周?chē)奈镔|(zhì)相互作用，我們可以通過(guò)觀察宇宙中物質(zhì)的異常狀態(tài)來(lái)發(fā)現(xiàn)黑洞。比如光線的扭曲，異�；钴S的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等等。換言之，我們能夠看見(jiàn)的是黑洞的輪廓，通常在黑洞周?chē)�，由于�?qiáng)大引力的作用，會(huì)有被加熱的超級(jí)明亮的氣體圍繞其視界高速運(yùn)動(dòng)。
雖然如此，但黑洞實(shí)際還是很難被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楹诙葱纬珊髸?huì)吸入它周?chē)奈镔|(zhì)，加之它和其它天體比起來(lái)小得可憐，導(dǎo)致它很難被直接觀察到。就像你在熊熊燃燒的火焰里放一個(gè)小小的玻璃球，雖然它可以影響周?chē)镔|(zhì)的運(yùn)動(dòng)，但你是很難注意到它的存在的。
所以要想看見(jiàn)黑洞，還需結(jié)合它對(duì)周?chē)祗w的作用和影響進(jìn)行觀測(cè)。比如，當(dāng)黑洞吸入恒星材料時(shí)，會(huì)在周?chē)纬删薮蟮奈e氣盤(pán)，盤(pán)中的氣體在強(qiáng)大的引力作用下，獲得巨大的能量，從而劇烈地摩擦發(fā)熱，輻射出強(qiáng)烈的的X射線。通過(guò)檢測(cè)這些高能射線，我們就可間接獲知黑洞的存在，并進(jìn)行研究。
即使如此，自黑洞理論誕生以來(lái)，能夠被確認(rèn)為黑洞候選者的天體也寥寥可數(shù)，更沒(méi)有任何一個(gè)黑洞被直接觀察到。
看見(jiàn)第一個(gè)黑洞有多難？
要看到一個(gè)黑洞是如此的困難，如此的令人絕望，相信很多人已經(jīng)放棄，該干嘛就干嘛去了。但科學(xué)家們是永遠(yuǎn)不會(huì)說(shuō)放棄的，因?yàn)樵谖覀冦y河系的中心，就有一個(gè)400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，如果連我們自家星系的這個(gè)龐然大物都看不到，怎么能說(shuō)人類(lèi)科學(xué)進(jìn)步已到達(dá)新的高度了呢？
然而理想是豐滿(mǎn)的，現(xiàn)實(shí)是骨感的。雖然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量達(dá)太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，但其直徑僅為4400萬(wàn)公里，連水星軌道的一半都不到。也就是說(shuō)，假如把這個(gè)黑洞放到太陽(yáng)的位置，其視界還不到水星軌道的一半。
也許你會(huì)說(shuō)，這么大��？已經(jīng)不小了吧！問(wèn)題是，銀河系中心離我們的距離為26000光年，要想看到這個(gè)黑洞，根據(jù)科學(xué)家們的說(shuō)法，就相當(dāng)于我們要從地球上看到月球上的一個(gè)檸檬！
除非我們的眼睛和地球一樣大，否則一切免談！
即使你的眼睛真的和地球一樣大，那也是看不到的，因?yàn)樵阢y河系中心黑洞和我們地球之間，橫亙著一圈巨大的塵埃環(huán)，擋住了我們的視線，否則我們?cè)谝雇硌鐾强盏臅r(shí)候，黑洞所在的人馬座A*會(huì)明亮得多。
似乎一切辦法都沒(méi)有了，人類(lèi)這個(gè)渺小的生命就活該被浩瀚的宇宙忽略，在渺如塵埃的地球上卑微地活著？然而我們是具有高度智慧的生命，我們正在向宇宙規(guī)律發(fā)起挑戰(zhàn)，沒(méi)有什么是我們不能做到的。
如何拍攝第一個(gè)黑洞？
由于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)太短，任何光學(xué)觀察器材，不管是我們的眼睛還是天文望遠(yuǎn)鏡，都無(wú)法突破這個(gè)巨大的星際塵埃環(huán)；就像你站在霧中，要想看清遙遠(yuǎn)的燈光一樣，重重濃霧迷蒙了你的視線。
然而，我們還有一種望遠(yuǎn)鏡，那就是像中國(guó)天眼一樣的射電望遠(yuǎn)鏡，由于射電波，即無(wú)限電波波長(zhǎng)極長(zhǎng)，完全可以突破這些塵埃的封鎖，“看到”銀河系中心的黑洞。就像我們?cè)谑覂?nèi)，依然可以收到手機(jī)基站傳來(lái)的無(wú)線電波，射電望遠(yuǎn)鏡，也可以接受到來(lái)自銀河系中心的信息。
通過(guò)多年來(lái)的觀察，科學(xué)家門(mén)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，銀河系中心區(qū)域活躍著大量氣體和塵埃，圍繞著黑洞高速運(yùn)行，被加熱到了數(shù)十億度，發(fā)射出大量的各個(gè)波段的輻射。雖然從可見(jiàn)光到X射線的輻射都被星際塵埃擋住了，但無(wú)線波段是可以看見(jiàn)的！
然而單一的射電望遠(yuǎn)鏡，即使是全球最大的中國(guó)天眼，也僅僅只有500米的口徑，和地球一樣大的眼睛比起來(lái)，就像螢火蟲(chóng)和太陽(yáng)相比，完全可以讓凱撒大帝都陷入無(wú)邊的絕望之中。
不過(guò)，雖然我們沒(méi)有地球一樣大的眼睛，但我們卻擁有超越我們星球乃至太陽(yáng)系整個(gè)銀河系的非凡認(rèn)知�？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果將分布在世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，就可借助算法將各個(gè)獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀察同一個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)起來(lái)，形成一個(gè)口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，將其分辨率提高到足以觀察黑洞事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。
第一張黑洞照片是如何拍出來(lái)的？你想知道的都在這里了！
這個(gè)計(jì)劃被稱(chēng)為事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope, EHT），于2012年在美國(guó)亞利桑那州啟動(dòng)，先后有12個(gè)國(guó)家的30多所大學(xué)、天文臺(tái)及政府和研究機(jī)構(gòu)參與，并在2017年4月，對(duì)銀河系中心人馬座A*和M87星系中心進(jìn)行了為期10天的全球連線觀測(cè)。調(diào)動(dòng)的射電望遠(yuǎn)鏡包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），南極點(diǎn)的南極望遠(yuǎn)鏡，以及美國(guó)、歐洲等地共8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，形成了一個(gè)直徑超過(guò)12000公里的巨大虛擬望遠(yuǎn)鏡。
由于數(shù)據(jù)龐大，無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，觀測(cè)完成后，所有數(shù)據(jù)都通過(guò)硬盤(pán)空運(yùn)到美國(guó)馬薩諸塞州麻省理工學(xué)院的海斯塔克天文臺(tái)，以及德國(guó)波恩的馬克斯普朗克電波天文研究所進(jìn)行處理，南極的數(shù)據(jù)甚至等到當(dāng)年10月冬天過(guò)后才運(yùn)送出來(lái)。
此前想象的拍攝到的第一張黑洞照片（銀河系中心）
真實(shí)的黑洞照片（M87星系中心）
最初的預(yù)測(cè)是去年4月公布有史以來(lái)第一張直接成像的黑洞照片，然而龐大的數(shù)據(jù)處理量卻讓計(jì)劃一拖再拖，直到今天，我們才終于看到室女A星系（M87）中心的黑洞，并且未能看到我們自己星系中心的黑洞照片，殊為遺憾！
M87是一個(gè)巨大的黑洞，其質(zhì)量達(dá)到了67億倍太陽(yáng)質(zhì)量，距離我們約5350萬(wàn)光年。由于南極望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到整個(gè)黑洞，所以參與拍攝的只有7臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，可能這也是它的質(zhì)量不是很好的原因吧。希望銀河系中心黑洞的照片能夠盡快出來(lái)，因?yàn)樵谝曋睆缴纤鼤?huì)比M87黑洞更大一些，或許會(huì)更清晰一些吧。
今天我們能夠看到這張壯觀的黑洞照片，可以說(shuō)已經(jīng)耗竭了全球科學(xué)家們多年來(lái)的努力和資源，讓我們?yōu)榭茖W(xué)家們加油喝彩，為人類(lèi)文明取得的又一個(gè)里程碑式的突破歡呼雀躍吧。
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