原標題：第一張黑洞照片是如何拍出來的？你想知道的都在這里了！
國家科學(xué)基金會（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有出來；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掉下去。不過這畢竟是人類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，拍攝會如此艱難，需要等待如此漫長的時間，以至一生研究黑洞，對黑洞理論發(fā)展做出主要貢獻的英國 理論物理學(xué)家霍金，也無法在有生之年一睹它的風(fēng)采，而抱憾離去。
黑洞是什么？
雖然大家早已對黑洞熟悉得不能再熟悉了，我首先還是要提出這個問題。我們的宇宙極為空曠，相當于平均每四立方米空間里只有一個質(zhì)子，然而這并不是宇宙的真實情況，因為絕大多數(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，無邊無際的網(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 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%，我們太陽周圍最近的65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)萬億年到十幾萬億年的時間，而目前宇宙整個才形成137億年，因此對我們來說，紅矮星幾乎可以說是永恒的存在，沒有生命的盡頭。
像我們太陽大小的恒星，其壽命大約有100多億年。在生命周期的末期，太陽會因核心溫度升高加快氫聚變，釋放更多能量變成紅 ，將水星、金星甚至地球都吞沒；太陽中心的氫燃燒完后，會在1億度高溫下點燃氦聚變，燃燒氫聚變生成的氦，逐步形成致密的白矮星核心。經(jīng)過不斷的氦閃和脈動，太陽外層的氣體被不斷驅(qū)離，最后 出核心的白矮星，太陽就會停止聚變反應(yīng)，變得和地球差不多大。
比太陽更大的恒星，如果最后剩下的致密核心超過1.4倍太陽質(zhì)量，就會經(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)量達到太陽的3.2倍以上，就會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)無法對抗自身引力而坍縮形成的致密天體，是宇宙中時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和我們宇宙無關(guān)的地方，我們誰也不知道進了這個洞，會去到哪里，會發(fā)生什么。
超大質(zhì)量黑洞是什么？
上面所說的是恒星黑洞，也就是恒星坍縮后形成的黑洞。實際上還有一類黑洞叫超大質(zhì)量黑洞，在每個星系的中心都至少有一個這樣的黑洞，利用其引力將整個星系凝聚成形。這類黑洞質(zhì)量最小的也有幾十萬個太陽質(zhì)量，最大的可能有數(shù)百億個太陽質(zhì)量。
超大質(zhì)量黑洞的形成，一種是緩慢吸積周圍物質(zhì)形成的；一種是數(shù)十萬個太陽質(zhì)量的星云，逐步萎縮成相對論星體后，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，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強子對撞機，就曾被認為會產(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密度趨近于無限的奇點。由于黑洞引力奇大，周圍一定范圍內(nèi)任何物質(zhì)都無法逃脫，而只有乖乖地等待著被吸進奇點，沒有任何辦法可以再重返這個宇宙。比如你被吸進黑洞后，你和這個宇宙的 交集，也就只剩下你的質(zhì)量帶來的引力了。
這個所謂的一定范圍，就是黑洞的事件視界。黑洞的引力是如此強大，以至于在這個視界表面，連光都無法逃離——進入這個視界，你就被這個世界徹底屏蔽了，你所發(fā)生的一切事件，這個宇宙都不再有任何人能看見。大概這就是事件視界這個名稱的由來，視界之外，你還是你，視界之內(nèi)，誰也不知道你是什么了。
由此你就可知道黑洞像什么了。黑洞實際不是一個洞，而是完全黑色的球體——由于光線無法逃離視界，我們能看到的黑洞就是一個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，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，一個純黑的球體在里面，你就可想而知了，所以黑洞像什么，我寫到這里，實際還是沒有答案。一些科學(xué)家甚至認為，太空中可能存在很多很多這種看不見的黑洞，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，當然，這個假設(shè)并不是目前關(guān)于暗物質(zhì)的主流理論。
如何才能看見黑洞？
可能你已經(jīng)迫不及待想問了，究竟怎樣才能看見黑洞啊？
黑洞雖然看不見，但它擁有強大的引力，可以和周圍的物質(zhì)相互作用，我們可以通過觀察宇宙中物質(zhì)的異常狀態(tài)來發(fā)現(xiàn)黑洞。比如光線的扭曲，異常活躍的物質(zhì)運動等等。換言之，我們能夠看見的是黑洞的輪廓，通常在黑洞周圍，由于強大引力的作用，會有被加熱的超級明亮的氣體圍繞其視界高速運動。
雖然如此，但黑洞實際還是很難被發(fā)現(xiàn)，因為黑洞形成后會吸入它周圍的物質(zhì)，加之它和其它天體比起來小得可憐，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小小的玻璃球，雖然它可以影響周圍物質(zhì)的運動，但你是很難注意到它的存在的。
所以要想看見黑洞，還需結(jié)合它對周圍天體的作用和影響進行觀測。比如，當黑洞吸入恒星材料時，會在周圍形成巨大的吸積氣盤，盤中的氣體在強大的引力作用下，獲得巨大的能量，從而劇烈地摩擦發(fā)熱，輻射出強烈的的X射線。通過檢測這些高能射線，我們就可間接獲知黑洞的存在，并進行研究。
即使如此，自黑洞理論誕生以來，能夠被確認為黑洞候選者的天體也寥寥可數(shù)，更沒有任何一個黑洞被直接觀察到。
看見第一個黑洞有多難？
要看到一個黑洞是如此的困難，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)家們是永遠不會說放棄的，因為在我們銀河系的中心，就有一個400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，如果連我們自家星系的這個龐然大物都看不到，怎么能說人類科學(xué)進步已到達新的高度了呢？
然而理想是豐滿的，現(xiàn)實是骨感的。雖然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量達太陽的400萬倍，但其直徑僅為4400萬公里，連水星軌道的一半都不到。也就是說，假如把這個黑洞放到太陽的位置，其視界還不到水星軌道的一半。
也許你會說，這么大��？已經(jīng)不小了吧！問題是，銀河系中心離我們的距離為26000光年，要想看到這個黑洞，根據(jù)科學(xué)家們的說法，就相當于我們要從地球上看到月球上的一個檸檬！
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，因為在銀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，否則我們在夜晚仰望星空的時候，黑洞所在的人馬座A*會明亮得多。
似乎一切辦法都沒有了，人類這個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)，沒有什么是我們不能做到的。
如何拍攝第一個黑洞？
由于可見光的波長太短，任何光學(xué)觀察器材，不管是我們的眼睛還是天文望遠鏡，都無法突破這個巨大的星際塵埃環(huán)；就像你站在霧中，要想看清遙遠的燈光一樣，重重濃霧迷蒙了你的視線。
然而，我們還有一種望遠鏡，那就是像中國天眼一樣的射電望遠鏡，由于射電波，即無限電波波長極長，完全可以突破這些塵埃的封鎖，“看到”銀河系中心的黑洞。就像我們在室內(nèi)，依然可以收到手機基站傳來的無線電波，射電望遠鏡，也可以接受到來自銀河系中心的信息。
通過多年來的觀察，科學(xué)家門已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，銀河系中心區(qū)域活躍著大量氣體和塵埃，圍繞著黑洞高速運行，被加熱到了數(shù)十億度，發(fā)射出大量的各個波段的輻射。雖然從可見光到X射線的輻射都被星際塵埃擋住了，但無線波段是可以看見的！
然而單一的射電望遠鏡，即使是全球最大的中國天眼，也僅僅只有500米的口徑，和地球一樣大的眼睛比起來，就像螢火蟲和太陽相比，完全可以讓凱撒大帝都陷入無邊的絕望之中。
不過，雖然我們沒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系整個銀河系的非凡認知。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果將分布在世界各地的射電望遠鏡連接起來，就可借助算法將各個獨立望遠鏡同時觀察同一個目標的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)起來，形成一個口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡，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的？你想知道的都在這里了！
這個計劃被稱為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT），于2012年在美國亞利桑那州啟動，先后有12個國家的30多所大學(xué)、天文臺及政府和研究機構(gòu)參與，并在2017年4月，對銀河系中心人馬座A*和M87星系中心進行了為期10天的全球連線觀測。調(diào)動的射電望遠鏡包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），南極點的南極望遠鏡，以及美國、歐洲等地共8臺望遠鏡，形成了一個直徑超過12000公里的巨大虛擬望遠鏡。
由于數(shù)據(jù)龐大，無法通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，觀測完成后，所有數(shù)據(jù)都通過硬盤空運到美國馬薩諸塞州麻省理工學(xué)院的海斯塔克天文臺，以及德國波恩的馬克斯普朗克電波天文研究所進行處理，南極的數(shù)據(jù)甚至等到當年10月冬天過后才運送出來。
此前想象的拍攝到的第一張黑洞照片（銀河系中心）
真實的黑洞照片（M87星系中心）
最初的預(yù)測是去年4月公布有史以來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是一個巨大的黑洞，其質(zhì)量達到了67億倍太陽質(zhì)量，距離我們約5350萬光年。由于南極望遠鏡無法觀測到整個黑洞，所以參與拍攝的只有7臺望遠鏡，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，因為在視直徑上它會比M87黑洞更大一些，或許會更清晰一些吧。
今天我們能夠看到這張壯觀的黑洞照片，可以說已經(jīng)耗竭了全球科學(xué)家們多年來的努力和資源，讓我們?yōu)榭茖W(xué)家們加油喝彩，為人類文明取得的又一個里程碑式的突破歡呼雀躍吧。
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