? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 人類首次捕獲黑洞照片 愛因斯坦百年猜想終得檢驗

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2019-4-11 青野云麓

4月10日晚上9點多，人類歷史上首張黑洞照片在中國上海和臺北、比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、日本東京和美國華盛頓全球六地同時對外發(fā)布，這是人類首次通過圖像直觀的看到黑洞。

不少網友昨晚第一時間看到了黑洞的照片，簡單地說，這張照片呈現出的是一個橙色的光環(huán)，環(huán)內的中心和環(huán)外的區(qū)域都是黑色。

幽暗的宇宙美麗也調皮，長久以來人類關于黑洞的探索，在這一刻終于得到影像印證。這張在全球多地同步公布的“大片”，證實了神秘天體黑洞的存在，也使得愛因斯坦的百年猜想終得檢驗。

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黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，這個勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。由全球200多位科學家共同合作的事件視界望遠鏡也稱EHT項目，通過全球8個射電望遠鏡勾勒出了黑洞圖像。昨晚，這張期待已久的黑洞如約揭開了神秘面紗。

黑色的界面上暈染出一個橙色光環(huán)，是這張黑洞“正面照”給人的直觀印象。中科院上海天文臺研究員路如森介紹，這張黑洞來自于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。路如森說：“首先我們看到的是黑洞的陰影，這個亮的地方和中心暗的區(qū)域對比度超過了十倍，也就意味著人們看到的暗影是真實的，我們可以測量暗影的大小，得到的結果是42微角秒，在M87的距離上，這個角大小對應的約1000億公里。同時通過測量環(huán)狀的大小，根據知道的距離，我們就可以定出這個黑洞的質量，它是65億倍太陽質量?！?/span>

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黑洞本身并不發(fā)光，那么，照片上的橙色光環(huán)是什么？怎么形成的？到底哪個區(qū)域是黑洞？中科院上海天文臺研究員袁峰解釋：“黑洞本身的確不發(fā)光，但是黑洞最主要的特點是引力比較強。黑洞周圍有很多氣體，這些氣體在黑洞引力的作用下會往黑洞里下落，下落過程中，這些氣體就會變的非常熱，所以就會發(fā)出非常強的輻射。在圖中看到的這些明亮的光環(huán)，就是非常熱的氣體發(fā)出來的輻射。這個光環(huán)并不是代表了黑洞的視界，黑洞的視界在中間的陰影里面。它比陰影的直徑還要小一些，具體多少愛因斯坦廣義相對論都給我們做出了預言?！?/span>

對于黑洞具體是什么樣子，在這次拍照前，天文學家們通過各種間接證據表明黑洞的存在，比如，黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產生影響，人們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。根據黑洞吸積物質（吃東西）發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。近年來技術的發(fā)展，為黑洞的成像帶來了可能。中科院上海天文臺臺長沈志強介紹，EHT的“八只眼睛”向選定的目標撒出一條大網，撈回海量數據，勾勒出黑洞的模樣，據介紹，這張黑洞照片的“沖洗”用了約兩年時間。沈志強說：“基于甚長基線干涉測量技術，它把分布在全球各個地方的望遠鏡組合起來，形成等效于地球萬公里長的望遠鏡，使它具備了觀測遙遠天體非常高的分辨本領。最近十年，全球科學家在技術上的進步，方法上的創(chuàng)新，使得我們終于有機會在今年宣布得到了它的圖像。”

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黑洞成像除了提供黑洞存在的直接“視覺”證據外，袁峰指出，最重要的目的是在強引力場的極端環(huán)境下驗證愛因斯坦廣義相對論，同時細致研究黑洞周圍的物質吸積和噴流的形成及傳播。袁峰介紹：“一方面通過射電望遠鏡得到這么一張照片，另外一方面我們也可以根據愛因斯坦的廣義相對論，結合黑洞吸積理論，能夠事先把理論家預言的圖像計算出來，然后把觀測到的照片跟理論預言的照片進行對比，發(fā)現它們非常吻合，從這個角度來說完美的驗證了愛因斯坦廣義相對論?！?/span>

在此次EHT合作中，我國大陸科學家共有16人參與了項目，沈志強表示，在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、后期的數據處理和結果理論分析等方面都做出了中國貢獻。“我們沒有大設備的直接運行，但是我們從觀測的層面給予了實際的參與和貢獻。另外一方面這是一個大的科學合作計劃，國內的科學家在推動物理的觀測、理論研究方面都做出了有國際顯示度的工作。從科學方面自始至終，到現在為止，包括后續(xù)的觀測我們都是參與其中?！鄙蛑緩娬f。

回顧人類最近三百多年的歷史，全球科學家們對黑洞的探索從未停止。

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早在1784年，英國物理學家約翰?米歇爾（John Michell）就從理論上預言過這種神秘天體。他設想，有可能存在一種引力強到連光也無法從其周圍逃逸的天體，他稱之為“暗星”。

不過，由于“暗星”不可見，要想在空間中找到這樣一個天體，對當時的科學家來說幾乎是天方夜譚。這也使得在此后很長一段時間里，“暗星”的問題逐漸被擱置。

直到1915年，愛因斯坦廣義相對論提出之后，黑洞研究迎來轉機。愛因斯坦將引力視為時空扭曲，他在方程中預言，一個足夠小而重的物體，能隱藏在事件視界之內，而在這視界內，引力強大到連光都無法逃逸。

基于此，1916年德國天文學家史瓦西求出了愛因斯坦方程的第一個精確解。他發(fā)現，任何具有質量的物體都存在一個臨界半徑——后被稱作“史瓦西半徑”。當一個恒星發(fā)生塌縮，收縮至史瓦西半徑后，這個恒星將在自身引力作用下最終變成黑洞。

20世紀以來，越來越多的天文學家開始認真思考這種“太空監(jiān)獄”存在的可能性。中科院國家天文臺研究員茍利軍介紹，1962年，新西蘭物理學家羅伊?克爾解決了旋轉黑洞（即克爾黑洞）的引力場和時空問題。

其后，這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰?阿奇博爾德?惠勒命名為“黑洞”。而英國物理學家霍金等人關于黑洞的研究，尤其是霍金關于黑洞熵和黑洞霍金輻射的研究，啟發(fā)人們思考黑洞的內部。

就在昨晚，全球六地共同公布了人類首張黑洞照片，成為黑洞存在的直接“視覺”證據，數百年來人類關于黑洞的探索，終于得到影像印證。這一刻，人類在宇宙面前睜開了自己稚嫩的雙眼，看向了我們不曾看到過的神秘世界。這一刻值得銘記，未來，浩渺星空中，人類有關黑洞的浪漫探索，還將繼續(xù)。

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敲黑板！黑洞首張照片背后的知識？來聽專家解答

Via：看看新聞

4月10日晚，EHT（事件視界望遠鏡）項目組公布了史上首張黑洞照片。拍攝的是距離我們5500萬光年的M87星系中心的黑洞。那么這張照片背后有什么含義呢？兩位專家來為你答疑解惑，他們分別是中科院上海天文臺的副研究員左文文和科普作家天體物理學博士孫正凡。

2017年項目組觀測的有兩個黑洞。分別是人馬座 A*，也就是銀河系中心的黑洞，以及M87這個河外星系中的黑洞。這兩個黑洞其實我們都去觀測了，但是這次我們發(fā)布的是M87的黑洞。

我們之所以會選擇這兩個黑洞，是因為它們是從地球上看過去是比較大的，而我們目前的EHT視界望遠鏡也能看到的兩個黑洞。

這次為什么會發(fā)出M87黑洞照片？那是因為銀河系中心的那個黑洞的照片還在沖洗當中，不是說沒有照片，還在沖洗當中。

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因為黑洞它有很強的引力，周圍的物質就會向黑洞下落。

我們想一下水力發(fā)電，水力發(fā)電是水從高處落下，然后水的重力勢能轉化為機械能推動發(fā)動機去發(fā)電。黑洞也是一樣的，物質從高處往黑洞下落，它也會釋放很多能量，就會產生光和熱，也加熱了周圍的氣體。

因為有亮的部分，所以你看中間是暗的，這就是為什么中間部分被稱作黑洞陰影。

大家可以看到下面很亮上面很暗，那是因為這個黑洞是在轉動的，它轉動的角度應該是從南往北，逆時針的這個角度。

還有一個細節(jié)大家看一下，這張照片，它的環(huán)并不是非常光滑的，它外面還有一些信息。通過這些在我們看來好像不太完美的東西，其實可以挖掘出很多的細節(jié)的。

每個黑洞它都有一個控制范圍，或者叫做視力范圍，我們叫做“視界”。在視界以內的話，即使是光都沒有辦法逃離。

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從“事件視界”這個名字說到，事件是真正發(fā)生的事情，視界它是一個邊界。這個邊界外面的東西我們可以看到。外面光環(huán)上的光，這都是從黑洞以外逃出來的光，里面的東西是永遠逃不出來的。也許將來隨著新物理的進展，比如說可以跨越超高緯度，也許可以拋開黑洞，或者進入到黑洞內部，現在看來就是科幻的情節(jié)了。

現在的天文學研究認為，黑洞擁有一個邊界，只要跨過這個邊界，正常宇宙的一切定律，包括時間和空間，甚至光在內的任何物質和信息，都會失效。這個邊界就是 “事件視界”。那是一條不歸路，我們無法看到 “事件視界”另一端，一旦有東西越過事件視界，它會坍縮入黑洞的奇點，那是一個體積無限小，密度無限大的點，任何物理定律在這里已不再適用。

其實這里面有幾個難點。首先它的數據量很大，當時項目組花了五天的時間去拍M87中心的黑洞?？偣?個天文臺，收集的數據達3500多個TB，相當于800萬個小時的高清電影。如果我們看電影的話要看幾百年，這么大的一個數據量。

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另外就是處理的細節(jié)，技術細節(jié)也是很復雜的，所以我們用了創(chuàng)新的算法，超級計算機，這樣去處理，也花了整整兩年多的時間。

之前我們都是通過理論推演，看周圍發(fā)出的光這些證據證明黑洞的存在。這些證據你完全有理由說不信的，我們現在把它確實拍下來了，而且跟理論是吻合得非常好的，我們就可以更加確信黑洞的存在，而且它就是這個樣子的。

我們也可以進一步想想，我們銀河系當中的黑洞它會是什么樣子的，或者在我們周圍，太陽附近也會不會存在一些安靜的黑洞，對我們來說其實是有威脅的。當然我覺得對于天文學家來說，現實的這些東西是不考慮的，他們考慮的是黑洞到底是什么樣子，黑洞周圍到底是什么樣子，而且知道得越準確越好。

前面說黑洞中心是一個起點對不對，再想想我們宇宙是怎么來的？大爆炸是哪兒來的？大爆炸也是從起點開始。當我們去研究黑洞的時候，其實也是在研究我們宇宙是怎么來的。一個黑洞是不斷地壓縮，而我們的宇宙是從一個起點爆炸產生的。所以說從某個角度來說，我會覺得研究黑洞其實就是在研究宇宙本身。

《史上第一張黑洞照片來了！這件事為什么那么重要？》

?砍柴網：04-1123:51

人類史上第一張黑洞照片來了。

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4 月 10 日 21 點，「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）項目在全球六地布魯塞爾、圣地亞哥、上海、臺北、東京、和華盛頓同時召開了發(fā)布會，正式公布了這項劃時代的重大成果。

此次項目由全球多個國家和地區(qū)的 200 多位科研人員組成，是一個以觀測銀河系中央特大質量黑洞為主要目標的計劃，觀測核心就是銀河系中心黑洞人馬座 A* 和 M87 橢圓星系中心黑洞，此次發(fā)布的，就是后者的黑洞圖像。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲ 上海新聞發(fā)布會現場

從照片可以看出，黑洞就像一個黑色球體，中心暗弱部分為「黑洞陰影」，而周圍的環(huán)狀不對稱結構是由于強引力透鏡效應和相對論性射束（beaming）效應造成的。

因為黑洞不停在旋轉，讓它的圖片看起來就像是一個不對稱的發(fā)光漩渦。

而說到黑洞，你腦海里可能出現的就是「幽暗不見底」和「萬物皆可吸」。

首先，黑洞不是洞，是天體。作為最神秘的預言宇宙天體之一，黑洞質量極大密度極高，周圍會產生巨大的引力場，它附近所有物質都難逃一吸，連宇宙中傳播速度最快的光，也無法在黑洞中完成出它的出色射程。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲ 黑洞的藝術構想圖

而黑洞周圍引力巨大的區(qū)域，就被稱為「事件視界」，只要跨過這個邊界，一切物理定律在此都會失效，「事件視界望遠鏡」拍攝的就是兩個黑洞的這一部分。

1915 年，愛因斯坦在廣義相對論中最先預言了「黑洞」，1968 年，美國天文學家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名詞，雖然之后也出現過一些黑洞的間接影像可以證明它身處星河之中，但沒人見過黑洞的真正樣貌。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲ 黑洞圖像的的模擬、測量、和重建，圖片來自：Katie Bouman and Jason Dexter

100 多年后的今天，人類第一次能夠直接確認黑洞的存在。

同時，科學家也表示，該圖像的特征和愛因斯坦的廣義相對論完全一致，進一步驗證了它的正確性。

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多么幸運，我們成為了第一批目睹黑洞真容的人類，也可能是宇宙中第一批親眼看見黑洞的碳基生物。

黑洞照片是怎么拍出來的？

從洪荒時代起，人類就從未停止過對頭頂神秘星空的眺望。

2017 年 4 月，「事件視界望遠鏡」開始捕捉黑洞「事件視界」的清晰圖像。這次「事件視界望遠鏡」的觀測行動，可以說是史上最難的星際觀測項目之一。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲ 圖片來自：美國哈佛 - 史密森天體物理學中心網

首先，人馬座 A 距離地球 2.6 萬光年之遙，質量約等于 400 萬個太陽，視界半徑約 2400 萬公里，而 M87 中心距離地球 5500 萬光年，約等于 64 億太陽質量。按科學家的說法，給黑洞拍照的難度就差不多等于「給月球表面的一個蘋果拍照」。

其次，拍攝技術、拍攝時間、拍攝位置都讓項目研究變得更加舉步維艱。

于是，研究人員決定將分布在全球各地、橫跨南北半球的 8 個射電望眼鏡聯合起來，組成一個相當于地球最大直徑的大型虛擬望眼鏡進行觀測。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲事件視界望遠鏡的全球觀測網絡 . 圖片來自： Nature

這里用到的觀測技術，就是「甚長基線干涉測量」（VLBI）。通過這種技術，能將多個望遠鏡結合成一臺孔徑更大的望遠鏡，讓距離不再成為限制。兩個射電望遠鏡和一個數據處理中心，就能共同觀測遙遠的類星體以及河外星系。

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因為黑洞本身是看不見的，這里的拍出的圖像，其實是因為黑洞在「吃掉」身邊恒星時，氣體撕扯會產生旋轉的吸積盤，加上部分吸積氣體也會沿轉動方向被拋出去形成噴流，這些氣體摩擦都產生了明亮的光線，再加上其他頻段的輻射，因此能捕捉到這些黑洞的發(fā)光現象。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲黑洞和積吸盤的藝術想像圖 . 圖片來自：Wikipedia

當 8 個射電望眼鏡聯合啟動，VLBI 網將各射電望遠鏡接收到的信號轉化為數字信號記錄在磁盤上，然后通過數據中心處理和分析，就能獲得觀測目標的射電精細結構圖像，最高分辨率可為哈勃空間望遠鏡的數百倍。

這樣，我們就能看清「月球上的蘋果」了。

為達到此次拍攝的極高分辨率，包括中國科學院下屬的天文臺機構和高校等全球 13 多個研究機構都參與進來開展研究、校準工作。

而且，不止「拍」照片難，「洗」照片更難。

這不是咔嚓一下就能完成的攝影過程。上面提到，通過 VLBI，要將事件視界望遠鏡的所有觀測數據集合、整理。跨越南北半球的龐大的天文臺資料，不能通過網絡傳輸，需要極大儲存容量的硬盤收集并郵寄到研究中心。

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一次普通的 5 天觀測，整個整列就會產生約 7PB 數據（1PB=1000TB=1000000GB），裝滿 1000-2000 個硬盤。

為了防止地球大氣中的水汽阻礙數據接收，還要將觀測站擺在干燥高地，但常規(guī)硬盤無法抵抗低氣壓。墨西哥內格拉火山多頂（海拔 4580 米）的望遠鏡的 32 個常規(guī)硬盤里就有 28 個無法運作，最后只好改裝成氦氣封裝硬盤。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??▲ 圖片來自： EHT

同時，計算機進行后臺處理和分析海量數據也需要極長時間，各個站點收集的數據都被匯集到美國和德國兩個數據中心，計算機集群要對數據時間進行合并和分析，缺失或模糊的部分，都需要科學家進行拼圖完善。

單生產出這張黑洞照片，研究人員就用了 2 年左右時間。

雖然照片看起來依然是一片迷幻的「混沌」，但這次歷史性的窺探，也是人類史上一塊耀眼的豐碑。

照片的意義，不止讓人類見到黑洞

這次的重大發(fā)現，不僅讓我們能接觸到黑洞的真實面貌，更重要的是，幫我們驗證了愛因斯坦廣義相對論和黑洞的物理性質，包括黑洞真實質量、直徑、自轉速度 ......

中國科學院國家天文臺研究員茍利軍說道：

黑洞周圍會有很多分流，分流對于整個星系，以及星系演化，都起著非常重要的作用。但我們不是特別清楚它是如何產生的，我們看到黑洞周圍的狀況，能幫我們解決最基礎的科學問題。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲圖片來自：新華社采訪截圖

這只是一個開始，未來 EHT 還會帶來更多前所未有的科學成果。而這次黑洞的項目成果，無疑讓我們進入了一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲ 參與 EHT 的中國科學家

EHT 也表示后續(xù)還會給更多黑洞進行拍照及研究，人類將能更深入地理解宇宙。

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包括與黑洞正好相反的宇宙天體：白洞，它也是一個強引力源，但引力是從內往外，任何物質和光線都無法進入其中。雖然白洞同樣是由理論推導而出的假想天體，但值得注意的是，當黑洞和白洞連接，其中的那條特殊通道就是我們更為熟悉的——蟲洞。

如果有一個宇航員掉入黑洞，被黑洞的潮汐力撕成原子構成的涓涓細流，那它也很有可能在高速自轉的黑洞白洞中進入多維空間隧道，也就是在蟲洞之中，開始一段新的太空旅行。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??▲ 圖片來自：《星際穿越》

這也是 2014 年諾蘭經典的《星際穿越》劇本來源，我們通過它首次在熒幕上見到了最接近科學真相的黑洞圖像「卡岡圖雅」。而上面迎接那個宇航員的或許也不是死亡，而是另一片新的宇宙。

一切都在不斷用實踐驗證的途中，人類骨子里總是沸騰著不安的血液，胸腔里跳動著我們共同的未來。「生于凡塵，歸于星辰」或許將不再只是想象中的美好結局。

這也讓我們再次意識到：地球不該是人類歸宿的唯一答案。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲ 圖片來自：《星際穿越》

無論是星際旅行，還是移居火星，在目前地球資源開始一步步走向枯竭的境地下，用環(huán)保和技術來延遲地球壽命必不可少，但也許這恰好是個完美的過渡時期，借此將人類更重要的思維和力量投向群星璀璨的太空之中。

霍金在晚年時期也對人類的未來憂心忡忡。他認為地球和人類正面臨著嚴峻的內憂外患，除了人工智能和氣候問題將導致人類滅亡地球毀滅，外星人還可能隨時入侵地球 ……

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他曾在 2016 年在劍橋大學的一次演講中表示：

為了人類的未來，我們必須進入太空。在不離開這個脆弱的星球的情況下，我不認為我們能活過下一個 1000 年。

雖然就算是黑洞，也可能有死亡的一天。

在霍金的黑洞熱力學中，提出了「黑洞蒸發(fā)」的理論。也就是說，在非常遙遠的未來，當宇宙背景輻射溫度降到黑洞溫度以下，此時黑洞就會向外輻射物質和能量，而黑洞本身則將慢慢消失。

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當然了，人類可能根本等不到那一天，畢竟根據霍金的估算，一個質量是太陽 10 倍的黑洞，大概要花 10^{70} 年消失，而宇宙目前的年齡也只有 10^{10} 年。

不過至少現在活在地球上的我們，還能繼續(xù)保持熱忱、保持天真，在混雜著希望和絕望的文明里抗爭相搏，在有限的生命里探索著人類和宇宙無限的可能性。

雖然渺小，卻也偉大。

【來源：愛范兒】