科学家如何看见“看不见的”——并捕捉到黑洞的第一张图像

周三，事件视界望远镜 (EHT) 的科学家宣布，他们成功拍摄了位于 M87 星系中心的超大质量黑洞的事件视界，该星系距离地球约 5500 万光年。新图像是一场炽热的漩涡，该图像是该团队首次捕获数据两年后拍摄的，结束了人们对现代记忆中最激动人心的天体物理学探索之一的漫长等待。

“黑洞是宇宙中最神秘的物体，”EHT 主任、哈佛-史密森天体物理中心科学家 Sheperd Doeleman 在华盛顿特区举行的美国国家科学基金会新闻发布会上告诉观众，“因为它们太小了，我们从未见过。我们很高兴今天能够向你们报告，我们已经看到并拍摄了黑洞的照片。”

黑洞的引力非常强大，光都无法逃脱，这显然使得拍摄黑洞的照片几乎不可能。但黑洞拥有所谓的事件视界：一个指定不归路的边界。越过这个门槛的光和物质不会逃离黑洞，但时空在事件视界处被扭曲，从而形成一个由吸积物质组成的发光圆圈。它创造了物体的某种轮廓——这就是 EHT 捕捉到的。

尽管名字叫 EHT，但 EHT 实际上是由全球不同天文台的八台不同望远镜组成的项目，它们同步运行，以拍摄 M87 中心的黑洞以及我们银河系中心的超大质量黑洞人马座 A*。EHT 于 2006 年首次捕获数据，此后其网络增加了越来越多的天文台，目前包括夏威夷、亚利桑那州、智利、南极洲、墨西哥和西班牙的亚毫米望远镜。Doeleman 解释说，M87 的超大质量黑洞是他们拍摄的第一个来源，但他们目前正在努力拍摄人马座 A*。

这张新照片来自 2017 年 4 月 9 天内拍摄的数据。实际解压和分析所有天文台数据花了两年时间，部分原因是文件太大，无法进行数字传输。为了方便科学家处理数据，必须将硬盘从天文台物理运送出去。尤其是南极数据集，由于极端天气，几个月来一直无法访问。

斯坦福大学理论天体物理学家罗杰·布兰福德 (Roger Blandford) 并未参与 EHT 项目，他告诉《大众科学》杂志，这张图片是“对该团队的辛勤工作以及之前 50 年射电天文学家在干涉测量技术方面的创新致敬”。

组成 EHT 的不同天文台都可以对太空中的不同物体进行不同的射频观测。在这种情况下，它们都对齐观察每个黑洞视界发出的辐射，协同工作以提供对如此小而遥远的物体进行成像所需的极端光学分辨率。亚利桑那大学天文学家、EHT 团队成员丹尼尔·马罗内 (Daniel Marrone) 在周三的新闻发布会上告诉观众，虽然黑洞的质量是太阳的 65 亿倍，但视界基本上只有 1.5 光日宽。作为参考，M87 本身已经是一个令人印象深刻的物体，距离 5500 万光年，直径为 120 光年。Doeleman 称这一壮举“相当于我们站在华盛顿特区时能够读出洛杉矶 25 美分硬币上的日期”

在宣布这一消息之前，人们还不太清楚 EHT 究竟要向世界揭示什么。莱斯大学天文学家安德里亚·伊塞拉 (Andrea Isella) 并未参与该项目，但他事先告诉《大众科学》 ，虽然我们显然从未直接观测过人马座 A*，但几十年来我们都知道它的存在。我们可以观察到它对附近物体的引力影响。“我们看到恒星围绕着一个不会遇到任何可见光的东西旋转，”他说。“通过这种运动，我们可以测量黑洞的质量——估计约为数百万个太阳质量。”

布兰福德此前曾强调，这幅图像可能有助于证实爱因斯坦的广义相对论（即描述引力与时空关系的模型）是否能够正确描述引力对这些超大质量物体的作用，或许还能进一步阐明黑洞本身的特性。虽然广义相对论已在引力透镜（光线穿过大质量物体时会发生弯曲）等较弱的情况下得到多次测试，但它从未在黑洞等强引力场中进行过测试。

EHT 团队周三确认，新数据与之前用于描述黑洞和广义相对论的模型一致。滑铁卢大学的 Avery Broderick 解释说，如果爱因斯坦错了，黑洞的轮廓可能会看起来非常不同——形状畸形，甚至完全消失。相反，它是圆形的，符合结构预期。

“今天，广义相对论又通过了一项关键的考验，”布罗德里克说。

“从某种程度上来说，黑洞其实是非常简单的物体，”伊塞拉说。他解释说，黑洞由两个主要参数定义：质量（已经通过围绕黑洞的恒星轨道估算出来）和自转。黑洞的图像可以让你直接计算出这些参数。任何与预期有显著偏差的情况都意味着我们还没有考虑到一些关键的缺失部分。但这张新图像是一个令人鼓舞的消息，即我们在没有看到黑洞的情况下所学到的关于黑洞的一切都是正确的。

这项新发现将影响无数天体物理学和宇宙学研究。在不久的将来，布兰福德希望“它们将帮助我们了解事件视界外的气体和磁场会发生什么，围绕黑洞旋转的气体盘如何运动，以及相对论性喷流（以光速喷出的电离物质）是如何形成的。”布罗德里克解释说，这些数据已经被用来确定 M87 的黑洞顺时针旋转，并具有明亮的新月状特征和黑暗的内部。

布兰福德认为，天文学家可以利用这些数据更好地了解围绕银河系中心运行的单个恒星的行为，以及黑洞外部热气体对物体自转的影响。来自阿姆斯特丹大学的 EHT 团队成员塞拉·马尔科夫讨论了如何利用这类工作更好地了解黑洞喷出的辐射和粒子如何影响星系的生长和演化。

但除了这幅图像的科学意义之外，这里还有一个值得强调的技术里程碑。从很多方面来看，EHT 是一种概念验证，用于获取非常小且非常遥远的天体的高分辨率图像。完成这种壮举基本上为开展更大胆的天文研究开辟了一整套方法。

“天文学领域的大量研究都试图对非常小的物体进行成像，”伊塞拉说。“这意味着，我们应该能够增加更多的望远镜，在未来获得更高质量的图像，以及对其他黑洞进行成像，”伊塞拉说。

乍一看这幅图像，可能不太明显，它肯定比大多数公众希望的要模糊。这幅图像从 5,000 TB 的数据中压缩了一百万次，不幸的是清晰度似乎仍然下降。但可以通过后续观察中的不同方法使其变得更好，例如采用新算法，以及增加更多频率更高的望远镜。

事实上，天文学已经习惯了这种循序渐进的过程。以冥王星为例。我们第一次看到这颗矮行星时，按照今天的标准来看，简直是一团糟，但随着时间的推移，我们设法找到了一些表面特征与真实行星更相似的物体。直到新视野号飞越冥王星，也就是我们拍摄第一张冥王星照片 85 年后，我们才终于看到了它朦胧的大气层、岩层和真实的表面颜色。

到 2020 年，该团队将在该项目下拥有 11 台望远镜，Doeleman 和他的同事表示希望最终将望远镜送入太空以进一步推进他们的工作。虽然 M87 超大质量黑洞的新图像并没有从根本上改变我们对宇宙的理解，但它有助于打开通往全新太空视野的大门。

“我们揭示了我们以前认为看不见的宇宙的一部分，”多尔曼说。“大自然让我们看到了我们以为看不见的东西。”