摘要

虽然很少有人怀疑黑洞的存在，但看到它——或者至少看到它的影子——是一个巨大的挑战。 黑洞的引力场非常强，即使是光也无法逃逸，因此它们被定义为一个称为“视界”的无特征的黑色球体。 

我们终于可以看到它：一个肉眼可见的黑洞。 视界望远镜合作组织（Event Horizon Telescope (EHT) collaboration）的天文学家今天拍摄到了梅西耶 87 星系（M87）中心的一个巨大黑洞的照片。 这一结果有力地证实了阿尔伯特 · 爱因斯坦的广义相对论，该理论在一个多世纪前被用于预测黑洞。 这也是由 200 多名科学家组成的团队多年来的壮举，他们通过将来自全球 8 个独立的无线电观测站的信号组合在一起，生成了这样一张图像（图1）。

图1通过视界望远镜（EHT）对星系M87中心的观测，科学家获得了第一张黑洞的照片。照片中显示了一个明亮的光环，它是在一个质量比太阳大65亿倍、距离地球5500万光年的黑洞周围而弯曲而形成的。这张我们侯时已久的照片为超大质量黑洞的存在提供了迄今为止最有力的证据，并为对黑洞、黑洞的事件视界以及引力的研究打开了一扇新的窗户。| 图片来源：Event Horizon Telescope Collaboration

从图片中我们可以看到，黑洞“剪影”的大小和形状与爱因斯坦广义相对论的预测精确相符，这大大地增加了我们对这个百年理论的信心。为拍摄黑洞的图像而发展出的各项技术只一个开始，在未来，这些工具还将带给我们更多来自宇宙赠与的复杂数据，帮助我们更进一步地揭示宇宙的奥秘。 

荷兰内梅亨Radboud大学的Heino Falcke是视界望远镜合作组织（Event Horizon Telescope (EHT) collaboration）的领导者之一，他在一系列全球协调的新闻发布会上宣布了这一结果。 但他承认，这两年来处理数据和生成图像的过程是他一生中最难忘的时期。

图2 荷兰内梅亨Radboud大学的Heino Falcke教授，EHT领导者 

虽然很少有人怀疑黑洞的存在，但看到它——或者至少看到它的影子——是一个巨大的挑战。 黑洞的引力场非常强，即使是光也无法逃逸，因此它们被定义为一个称为“视界”的无特征的黑色球体。黑洞的引力弯曲形成的不对称环形被科学家们观测到，这标志着天体物理学的新时代已经开始。 这个环的精确大小和形状将帮助研究人员测试爱因斯坦的引力方程（图3），看它们是否经得起考验，或者是否需要一些其他的引力理论。“我们现在可以提出这些问题，”Falcke 说。 “它已经成为一个新的试验田。”

图3 1934年，爱因斯坦给听众们推导引力方程（图片来自https://zhuanlan.zhihu.com/p/33440117）

 来自世界各地13个机构的EHT团队于2017年4月用8台对波长敏感的射电望远镜，对银河系中心的M87和黑洞人马座A* (Sgr A*)（图4）进行了超过5个夜晚的观测。这种特定的无线电频率是必要的，因为它可以穿透环绕星系中心的尘雾和气体，但挑战是巨大的。尽管黑洞的质量很大，但由于其强烈的引力，它们却出奇的小。 位于 M87 中心的黑洞拥有 65 亿个太阳的质量。 然而，它的直径只有 400 亿公里——以宇宙的标准来衡量是微小的。 

图4 银河系中心的M87（上）和黑洞人马座A* (Sgr A*)（下）黑洞的更多的证据来正是来自对Sgr A*的研究，这好比是我们银河系中心的一个无线电波源。（图片来源Wikipedia） 

现有的望远镜没有分辨率能看到如此遥远的小天体。 因此，EHT 研究小组在世界范围内选择了大多数毫米波望远镜，并将他们的数据结合起来，通过一个叫做超长基线干涉测量的过程，产生了一个地球大小的虚拟望远镜。他们使用的望远镜从夏威夷延伸到亚利桑那州，墨西哥延伸到法国，智利延伸到南极（图5）。这项合作在较早时候用较少数量的望远镜完成了观测，但 2017 年是他们第一次拥有真正的跨越全球的阵列，其中包括智利的阿塔卡玛大毫米/亚毫米阵列的巨大能量及其 64 个碟形天线。

图5 Event Horizon Telescope (EHT) 是一个创建大型望远镜阵列的项目，由全球射电望远镜网络和来自地球周围几个超长基线干涉测量 (VLBI) 站的组合数据组成。 目的是观测银河系中心超大质量黑洞人马座 A* 的直接环境，以及超巨椭圆星系梅西耶 87 中心更大的黑洞，其角度分辨率与黑洞的事件视界相当（图片来源Wikipedia）

 此后，数据读取进程耗费了大量时间。由于数据量太大，以至于无法传输到位于韦斯特福德的麻省理工学院的“大海捞针”天文台和位于德国波恩的马克斯普朗克射电天文学研究所的中央处理器。 取而代之的是，这些数据必须被记录在磁盘上并传输，这给南极望远镜带来很大问题。它在南方的冬季处于禁闭状态，所以研究人员直到 2017 年底才拿到数据。这些望远镜总共记录了4 petabytes，每个读取时间用原子钟标记。如果这些数据转换成音乐录制为 MP3，将需要 8000 小时来播放。

爱因斯坦不喜欢黑洞的概念。几个月前，德国物理学家卡尔施瓦兹柴尔德 (Karl Schwarzschild) 就发表了他的引力理论，即广义相对论，他提出了爱因斯坦方程组的一个解决方案，即如果一个物体足够紧凑，有足够的质量，那么它的引力就会强大到足以阻止包括光在内的任何物体逃逸。几十年来，大多数物理学家和天文学家认为这样的想法只是一种数学上的好奇心。 但是1967年，乔斯林 · 贝尔 · 伯恩内尔发现的脉冲星表明，确实存在密度极高的致密物体。 从那时起，天文学家们已经积累了大量的间接证据表明黑洞的存在。

随着今天黑洞照片的宣布，天文学家终于有了更直观的证据。 

参考文献

Science doi:10.1126/science.aax6474

本文作者：美捷登Daniel

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