8台望遠鏡，兩年分析：給黑洞拍照不容易
導語：「事件視界望遠鏡」（EHT）獲得了首張黑洞和事件視界的照片。
天文學家終於捕捉到黑洞的黑暗真容了。通過集結全球的射電望遠鏡，天文學家首次拍到了黑洞的危險邊界——事件視界的照片，周圍可見一圈光環。
「我們在時空的盡頭看見了地獄之門，」荷蘭拉德堡德大學天體物理學家Heino Falcke在布魯塞爾的新聞發布會上說，「你所看到的是時空扭曲形成的一個火環。光在黑洞周圍傳播，看起來像一個環。」
上圖展現了M87星系中心的特大質量黑洞，它距離我們有1600萬秒差距（5500萬光年），質量是太陽的65億倍。所得照片以前所未有的細節向我們展現了事件視界。在巨大的引力作用下，任何物體，即使是光也無法從事件視界內逃脫。
4月10日，「事件視界望遠鏡」（EHT）合作項目在全球四大洲同步召開六場新聞發布會，公布了這張萬眾期待的黑洞照片，其拍攝難度相當於從地球拍攝月球表面的一個甜甜圈。相關論文於同一天發布在《天體物理雜誌快報》（Astrophysical Journal Letters ）上。
斯坦福大學天體物理學家Roger Blandford表示，這張照片是一項「了不起的成就」。「當我還是學生時，我做夢也不會想到這種事情會成真，」他說，「結果再次確認了廣義相對論關於強引力場的預言是正確的。」
加州大學洛杉磯分校的天文學家Andrea Ghez表示：「我太激動了。」她說這些照片是黑洞周圍有「光子環」的「確鑿證據」。
黑洞預測
近一個世紀前，物理學家根據愛因斯坦的廣義相對論首次推斷出黑洞的存在，不過在此之前，科學家只能找到間接證據，而現在EHT 對這些預測做出了一次前所未有的有力驗證。
2017年4月，EHT團隊用5個晚上觀測了兩個特大質量黑洞——M87黑洞和銀河系中心的人馬座A*（Sagittarius A*）。團隊集結了分布在世界各地的8台射電望遠鏡，達到的解析度剛好可以觀測到這兩個天體。這些望遠鏡遠至夏威夷和南極，每一台採集的數據量都超過了大型強子對撞機（LHC）一年的數據總量（見「全球合作」）。經過兩年的分析處理，黑洞照片最終得以問世。
在整合了所有望遠鏡的數據之後，EHT團隊於2018年年中開始了分析工作。他們很快發現，可以先「沖洗」出一張M87的清晰照片。Falcke說：「當第一批數據出來的時候，我們就決定把重點放在M87上，因為我們知道結果將會非常驚艷。」
在布魯塞爾的新聞發布會上，同樣來自拉德堡德大學的天體物理學家Monika Moscibrodzka表示，現有的測量數據還不夠精確，無法測量出M87黑洞的自旋速度——自旋是黑洞的一個關鍵特徵；不過能表明其自旋方向是順時針的。進一步展開研究或許還有助於科學家發現黑洞噴流是如何產生的。
EHT團隊接下來將重點分析人馬座A*的數據。團隊成員、法蘭克福大學的理論天體物理學家Luciano Rezzolla表示，人馬座A*大約只有M87黑洞的千分之一大小，每次觀測期間，物質繞其旋轉的次數較多，因而會產生快速變化的信號，而不是一個穩定的信號。這會增加數據解讀的難度，但其背後透露的信息量可能也會更大。
事件視界是黑洞的典型特徵。從附近觀測時，事件視界看起來就像覆蓋在其內部物質周圍的一個球面。由於光只可能從外向內單向穿過這個表面，因此，整個球體看上去幾乎是漆黑一片。
黑洞的事件視界看上去會是實際大小的5倍，這是因為黑洞會扭曲周圍的空間，使光的傳播路線發生彎曲。華盛頓大學物理學家James Bardeen最先於1973年發現了這一效應，其原理類似於放入一杯水中的勺子看起來會變大。Bardeen還指出，黑洞投射的「暗影」會更大。這是因為在事件視界的特定範圍內，大部分光線會由於極度彎曲而繞黑洞傳播。
地球口徑望遠鏡
射電天文學家通過計算髮現，為了分辨事件視界的細節，他們需要一台口徑相當於地球直徑的望遠鏡（望遠鏡解析度與望遠鏡大小成正比）。好在一種名為干涉測量的技術可以突破這一障礙。這項技術需要使用多台望遠鏡，且望遠鏡之間的距離要足夠遠，並同步觀測同一個對象。聯合觀測時，這些望遠鏡就好比一個大型望遠鏡碟面的一部分。
全球許多團隊都優化了原有技術，改裝了主要觀測設備，以便能參與觀測。其中，哈佛大學Shep Doeleman團隊讓口徑10米的南極望遠鏡和造價14億美元的智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波望遠鏡陣列（ALMA）達到了觀測要求。
2014年，Falcke、Doeleman和世界各地的團隊聯合組成了EHT合作項目，並於2017年進行了首次橫跨地球的觀測。他們在4月為期兩周的窗口期內對人馬座A*和M87進行了觀測，當時各望遠鏡所在位置最有可能同時擁有適宜觀測的天氣條件。
海量原始數據被記錄在硬碟中，經過海陸空運輸，最後匯聚到了馬克斯·普朗克射電天文學研究所和麻省理工學院海斯塔克天文台。
去年，還在進行數據處理的時候， Falcke便告訴《自然》，他預計這次實驗可以收集到大量關於黑洞結構的信息，但是不會得到一張漂亮的圖片。他說最多看起來就像「一顆難看的花生」，「或者，首張照片就是幾個點。連花生都不像。」
2018年，EHT再次展開了觀測——目前仍在對觀測數據進行分析，但取消了原定於今年的觀測計劃，因為EHT一個最重要的觀測點——位於墨西哥的50米大型毫米波望遠鏡——周圍存在安全隱患。他們計劃從2020年開始每年執行一次觀測任務。
EHT合作項目目前正在籌集資金，計劃在非洲建立一個觀測點，填補觀測網路中的一個主要空白，亦即將一台退役的15米瑞典望遠鏡從智利轉移至納米比亞的甘斯堡桌山。目前，EHT觀測網已經確定了兩名新成員：格陵蘭望遠鏡和法國阿爾卑斯山望遠鏡陣列。
EHT觀測網的不斷擴大有助於天文學家進一步深入探索黑洞，大型毫米波望遠鏡的物理學家David Sánchez Argüelles表示，這將帶我們進入「黑洞的內部世界，看看和我們預想的是否一樣」。
「看到這個結果令人感到十分欣慰，也十分驚喜，」Doeleman說，「你知道我本來以為會是什麼嗎？一個團而已。能看到這個環可以說是最好的結果了。」
原文發布在2019年4月10日《自然》新聞上, 作者Davide Castelvecchi
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Black hole pictured for first time — in spectacular detail
Nature|doi:10.1038/d41586-019-01155-0
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