沈慧

该黑洞距地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍

4月10日晚，包括中国上海在内的全球多个地方同步公开了黑洞“照片”。这是全球200多位科学家历时两年多、首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜，在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获的世界首张黑洞图像。

该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。“事实印证，爱因斯坦是正确的，他的广义相对论经受住了考验，得到了首次试验验证。”在当天举行的新闻发布会上，中科院上海天文台台长沈志强说。

黑洞不是“洞”

1915年，物理學家爱因斯坦发表广义相对论，提出了一个大胆的假设：宇宙中存在一种引力和密度都无限大的宇宙天体——黑洞。在它周围一定区域内，有个连光线也无法逃离的势力范围，这一势力范围叫作“事件视界”。

但有关黑洞的概念，早就有科学家通过数学公式推导出来了。

比如，1796年法国科学家拉普拉斯就在著作里写了一段话：假如有一个恒星，密度跟地球一样，而直径比太阳大250倍，那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的，但是从远方看这个恒星，它却是绝对黑暗的，你不可能看到它。

关于黑洞，法国天文学家卢米涅也说过一段话，他说：“黑洞是恒星死亡后的一种残骸，它是引力收缩的极点，极端到近乎荒唐（指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释）。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后，会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”

在相当长一段时期内，黑洞预言无法证实。这一看不见、摸不着，却长久以来存在于科学家们想象和推算中的神秘天体，究竟是否存在？“但目前，天文学家普遍相信黑洞确实存在于宇宙之中。”中科院上海天文台研究员路如森介绍。

中科院上海天文台台长沈志强表示，质量天文学家将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍至上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。而且，超大质量黑洞存在于几乎所有星系的中心。

黑洞有多大？宇宙中可能存在几乎所有大小的黑洞，从与我们的太阳质量相同的黑洞，到质量达到数十亿个太阳的黑洞。

黑洞能存在多久？即使黑洞也并非是永久存在的。根据量子物理学，在巨大的力场中，正反粒子对不断自发形成。它们瞬间被再次摧毁。

不过，如果这些粒子对产生于黑洞的事件视界，那么粒子对中的一个粒子就可能落在事件视界以外并逃离黑洞。

英国物理学家斯蒂芬·霍金曾对这一现象进行过描述。这种所谓的霍金辐射导致黑洞在漫长时间里十分缓慢地消失。黑洞越大，其消失所需时间就越长。

迄今为止仅在理论上被描述过的微型黑洞会瞬间消失。

如何给黑洞“拍照”

欲睹黑洞“芳容”，全世界科学家翘首以待了上百年，因为给黑洞“拍照”太难。

为揭开黑洞的神秘面纱，2017年，一项黑洞观测计划，即“事件视界望远镜”（EHT）计划正式启动。

路如森解释，黑洞本身的确是不发光的，但是这种被极度压缩的完全黑暗的天体，因为强引力的特性可以让时空弯曲，并吞噬周围的气体。在此过程中，气体的引力能转化成热能，气体的温度变得很高，进而发出强烈的辐射。而在这些明亮的气体衬托下，黑洞会产生一个黑洞剪影，这一剪影就是我们能看到的最接近黑洞本身的图像。

路如森说，剪影和发光的气体之间会有一个分界，也就是事件视界。事件视界比黑洞阴影的尺寸小，大小约400亿千米视界之内，我们无法看到，但对事件视界进行拍照，黑洞的样子也就勾勒出来了。

按照EHT计划，全世界200多位科学家组成空前庞大的“战斗阵营”，利用全球多地的8个亚毫米射电望远镜及其阵列，组成一个虚拟的望远镜网络，即“事件视界望远镜”，同时对黑洞展开观测。

何以如此兴师动众？因为黑洞距离我们太过遥远，无论哪一单个望远镜都只能望洋兴叹。“形象点说，望远镜若想看到黑洞的事件视界，好比我们人类站在地球去看月球上的一个橙子。困难程度可想而知。”沈志强说，“M87中心的黑洞质量巨大，又相对接近我们，是地球上看过去角直径最大的黑洞之一，也因此成为EHT的一个完美目标。”

“事件视界望远镜”的分辨率可以达到多少？一般来说口径越大分辨率越高。

沈志强说，要想看清楚黑洞视界面的细节，视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。为此，EHT观测使用了甚长基线干涉测量（VLBI）技术，观测波段是1.3毫米。世界各地的射电望远镜同步观测，同时利用地球自转，形成一个口径如地球大小的虚拟望远镜，分辨率约20微角秒。

虚拟望远镜成功组合只是第一步。这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区。沈志强说，在平原上由于信号弱不适合观测，这些望远镜所在的地区大多是海拔三四千米的山区，空气稀薄，若在上面连续观测，对工作人员来说是项挑战。

但是更大的挑战来自于天气。因为只有这8个望远镜及其阵列同时顺利观测到黑洞，才能达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。而现实是，留给科学家们观测的窗口期非常短暂，每年大约只有10天。

“以夏威夷地区为例，去年有两次观察期，天气很好，非常适合观测。”沈志强说。

多次独立的EHT观测通过多个校准以及不同的成像方法均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域，即黑洞阴影。

“黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的，可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克说，“这个暗影的形成，源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质，也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”

未来还会做什么？

“一旦我们成功对黑洞阴影成像，就可以将观测结果与理论预言相比较，检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是，我们所观测到图像的许多特征与理论预言相一致。”EHT董事会成员贺曾朴评论道，“这使得我们对观测的理论解释，包括对黑洞质量的测量，都充满信心。”

拍到震撼人心的黑洞照片，是众多科学家团结协作的结果。而且，我国科学家在其中扮演了不可或缺的角色。他们长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究，在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。在此次EHT合作中，我国科学家在早期EHT国际合作的推动、EHT望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面作出了中国贡献。

另外，在EHT全球联合观测的2017年3月至5月，上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜参与了密集的毫米波VLBI协同观测，为最终这个M87黑洞成像提供了总流量的限制。

“对M87中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点站。”沈志强说，“我们期望也相信在不久的将来，EHT会有更多令人兴奋的结果。”

“我们已经做到了上一代人认为不可能做到的事情。”天体物理中心哈佛大学及史密松宁学会EHT项目主任谢泼德·多尔曼总结说，“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起，打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”