人类首次捕获黑洞照片 爱因斯坦百年猜想终得检验

                                                                          2019-4-11 青野云麓

4月10日晚上9点多，人类历史上首张黑洞照片在中国上海和台北、比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、日本东京和美国华盛顿全球六地同时对外发布，这是人类首次通过图像直观的看到黑洞。

不少网友昨晚第一时间看到了黑洞的照片，简单地说，这张照片呈现出的是一个橙色的光环，环内的中心和环外的区域都是黑色。

幽暗的宇宙美丽也调皮，长久以来人类关于黑洞的探索，在这一刻终于得到影像印证。这张在全球多地同步公布的“大片”，证实了神秘天体黑洞的存在，也使得爱因斯坦的百年猜想终得检验。

黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，这个势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。由全球200多位科学家共同合作的事件视界望远镜也称EHT项目，通过全球8个射电望远镜勾勒出了黑洞图像。昨晚，这张期待已久的黑洞如约揭开了神秘面纱。

黑色的界面上晕染出一个橙色光环，是这张黑洞“正面照”给人的直观印象。中科院上海天文台研究员路如森介绍，这张黑洞来自于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。路如森说：“首先我们看到的是黑洞的阴影，这个亮的地方和中心暗的区域对比度超过了十倍，也就意味着人们看到的暗影是真实的，我们可以测量暗影的大小，得到的结果是42微角秒，在M87的距离上，这个角大小对应的约1000亿公里。同时通过测量环状的大小，根据知道的距离，我们就可以定出这个黑洞的质量，它是65亿倍太阳质量。”

黑洞本身并不发光，那么，照片上的橙色光环是什么？怎么形成的？到底哪个区域是黑洞？中科院上海天文台研究员袁峰解释：“黑洞本身的确不发光，但是黑洞最主要的特点是引力比较强。黑洞周围有很多气体，这些气体在黑洞引力的作用下会往黑洞里下落，下落过程中，这些气体就会变的非常热，所以就会发出非常强的辐射。在图中看到的这些明亮的光环，就是非常热的气体发出来的辐射。这个光环并不是代表了黑洞的视界，黑洞的视界在中间的阴影里面。它比阴影的直径还要小一些，具体多少爱因斯坦广义相对论都给我们做出了预言。”

对于黑洞具体是什么样子，在这次拍照前，天文学家们通过各种间接证据表明黑洞的存在，比如，黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，人们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。根据黑洞吸积物质（吃东西）发出的光来判断黑洞的存在。近年来技术的发展，为黑洞的成像带来了可能。中科院上海天文台台长沈志强介绍，EHT的“八只眼睛”向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，勾勒出黑洞的模样，据介绍，这张黑洞照片的“冲洗”用了约两年时间。沈志强说：“基于甚长基线干涉测量技术，它把分布在全球各个地方的望远镜组合起来，形成等效于地球万公里长的望远镜，使它具备了观测遥远天体非常高的分辨本领。最近十年，全球科学家在技术上的进步，方法上的创新，使得我们终于有机会在今年宣布得到了它的图像。”

黑洞成像除了提供黑洞存在的直接“视觉”证据外，袁峰指出，最重要的目的是在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦广义相对论，同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。袁峰介绍：“一方面通过射电望远镜得到这么一张照片，另外一方面我们也可以根据爱因斯坦的广义相对论，结合黑洞吸积理论，能够事先把理论家预言的图像计算出来，然后把观测到的照片跟理论预言的照片进行对比，发现它们非常吻合，从这个角度来说完美的验证了爱因斯坦广义相对论。”

在此次EHT合作中，我国大陆科学家共有16人参与了项目，沈志强表示，在早期EHT国际合作的推动、EHT望远镜观测时间的申请、后期的数据处理和结果理论分析等方面都做出了中国贡献。“我们没有大设备的直接运行，但是我们从观测的层面给予了实际的参与和贡献。另外一方面这是一个大的科学合作计划，国内的科学家在推动物理的观测、理论研究方面都做出了有国际显示度的工作。从科学方面自始至终，到现在为止，包括后续的观测我们都是参与其中。”沈志强说。

回顾人类最近三百多年的历史，全球科学家们对黑洞的探索从未停止。

早在1784年，英国物理学家约翰•米歇尔（John Michell）就从理论上预言过这种神秘天体。他设想，有可能存在一种引力强到连光也无法从其周围逃逸的天体，他称之为“暗星”。

不过，由于“暗星”不可见，要想在空间中找到这样一个天体，对当时的科学家来说几乎是天方夜谭。这也使得在此后很长一段时间里，“暗星”的问题逐渐被搁置。

直到1915年，爱因斯坦广义相对论提出之后，黑洞研究迎来转机。爱因斯坦将引力视为时空扭曲，他在方程中预言，一个足够小而重的物体，能隐藏在事件视界之内，而在这视界内，引力强大到连光都无法逃逸。

基于此，1916年德国天文学家史瓦西求出了爱因斯坦方程的第一个精确解。他发现，任何具有质量的物体都存在一个临界半径——后被称作“史瓦西半径”。当一个恒星发生塌缩，收缩至史瓦西半径后，这个恒星将在自身引力作用下最终变成黑洞。

20世纪以来，越来越多的天文学家开始认真思考这种“太空监狱”存在的可能性。中科院国家天文台研究员苟利军介绍，1962年，新西兰物理学家罗伊•克尔解决了旋转黑洞（即克尔黑洞）的引力场和时空问题。

其后，这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰•阿奇博尔德•惠勒命名为“黑洞”。而英国物理学家霍金等人关于黑洞的研究，尤其是霍金关于黑洞熵和黑洞霍金辐射的研究，启发人们思考黑洞的内部。

就在昨晚，全球六地共同公布了人类首张黑洞照片，成为黑洞存在的直接“视觉”证据，数百年来人类关于黑洞的探索，终于得到影像印证。这一刻，人类在宇宙面前睁开了自己稚嫩的双眼，看向了我们不曾看到过的神秘世界。这一刻值得铭记，未来，浩渺星空中，人类有关黑洞的浪漫探索，还将继续。

敲黑板！黑洞首张照片背后的知识？来听专家解答

Via：看看新闻

4月10日晚，EHT（事件视界望远镜）项目组公布了史上首张黑洞照片。拍摄的是距离我们5500万光年的M87星系中心的黑洞。那么这张照片背后有什么含义呢？两位专家来为你答疑解惑，他们分别是中科院上海天文台的副研究员左文文和科普作家天体物理学博士孙正凡。

2017年项目组观测的有两个黑洞。分别是人马座 A*，也就是银河系中心的黑洞，以及M87这个河外星系中的黑洞。这两个黑洞其实我们都去观测了，但是这次我们发布的是M87的黑洞。

我们之所以会选择这两个黑洞，是因为它们是从地球上看过去是比较大的，而我们目前的EHT视界望远镜也能看到的两个黑洞。

这次为什么会发出M87黑洞照片？那是因为银河系中心的那个黑洞的照片还在冲洗当中，不是说没有照片，还在冲洗当中。

因为黑洞它有很强的引力，周围的物质就会向黑洞下落。

我们想一下水力发电，水力发电是水从高处落下，然后水的重力势能转化为机械能推动发动机去发电。黑洞也是一样的，物质从高处往黑洞下落，它也会释放很多能量，就会产生光和热，也加热了周围的气体。

因为有亮的部分，所以你看中间是暗的，这就是为什么中间部分被称作黑洞阴影。

大家可以看到下面很亮上面很暗，那是因为这个黑洞是在转动的，它转动的角度应该是从南往北，逆时针的这个角度。

还有一个细节大家看一下，这张照片，它的环并不是非常光滑的，它外面还有一些信息。通过这些在我们看来好像不太完美的东西，其实可以挖掘出很多的细节的。

每个黑洞它都有一个控制范围，或者叫做视力范围，我们叫做“视界”。在视界以内的话，即使是光都没有办法逃离。

从“事件视界”这个名字说到，事件是真正发生的事情，视界它是一个边界。这个边界外面的东西我们可以看到。外面光环上的光，这都是从黑洞以外逃出来的光，里面的东西是永远逃不出来的。也许将来随着新物理的进展，比如说可以跨越超高纬度，也许可以抛开黑洞，或者进入到黑洞内部，现在看来就是科幻的情节了。

现在的天文学研究认为，黑洞拥有一个边界，只要跨过这个边界，正常宇宙的一切定律，包括时间和空间，甚至光在内的任何物质和信息，都会失效。这个边界就是 “事件视界”。那是一条不归路，我们无法看到 “事件视界”另一端，一旦有东西越过事件视界，它会坍缩入黑洞的奇点，那是一个体积无限小，密度无限大的点，任何物理定律在这里已不再适用。

其实这里面有几个难点。首先它的数据量很大，当时项目组花了五天的时间去拍M87中心的黑洞。总共8个天文台，收集的数据达3500多个TB，相当于800万个小时的高清电影。如果我们看电影的话要看几百年，这么大的一个数据量。

另外就是处理的细节，技术细节也是很复杂的，所以我们用了创新的算法，超级计算机，这样去处理，也花了整整两年多的时间。

之前我们都是通过理论推演，看周围发出的光这些证据证明黑洞的存在。这些证据你完全有理由说不信的，我们现在把它确实拍下来了，而且跟理论是吻合得非常好的，我们就可以更加确信黑洞的存在，而且它就是这个样子的。

我们也可以进一步想想，我们银河系当中的黑洞它会是什么样子的，或者在我们周围，太阳附近也会不会存在一些安静的黑洞，对我们来说其实是有威胁的。当然我觉得对于天文学家来说，现实的这些东西是不考虑的，他们考虑的是黑洞到底是什么样子，黑洞周围到底是什么样子，而且知道得越准确越好。

前面说黑洞中心是一个起点对不对，再想想我们宇宙是怎么来的？大爆炸是哪儿来的？大爆炸也是从起点开始。当我们去研究黑洞的时候，其实也是在研究我们宇宙是怎么来的。一个黑洞是不断地压缩，而我们的宇宙是从一个起点爆炸产生的。所以说从某个角度来说，我会觉得研究黑洞其实就是在研究宇宙本身。

《史上第一张黑洞照片来了！这件事为什么那么重要？》

 砍柴网：04-1123:51

人类史上第一张黑洞照片来了。

4 月 10 日 21 点，「事件视界望远镜」（Event Horizon Telescope, EHT）项目在全球六地布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北、东京、和华盛顿同时召开了发布会，正式公布了这项划时代的重大成果。

此次项目由全球多个国家和地区的 200 多位科研人员组成，是一个以观测银河系中央特大质量黑洞为主要目标的计划，观测核心就是银河系中心黑洞人马座 A* 和 M87 椭圆星系中心黑洞，此次发布的，就是后者的黑洞图像。

                                                               ▲ 上海新闻发布会现场

从照片可以看出，黑洞就像一个黑色球体，中心暗弱部分为「黑洞阴影」，而周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束（beaming）效应造成的。

因为黑洞不停在旋转，让它的图片看起来就像是一个不对称的发光漩涡。

而说到黑洞，你脑海里可能出现的就是「幽暗不见底」和「万物皆可吸」。

首先，黑洞不是洞，是天体。作为最神秘的预言宇宙天体之一，黑洞质量极大密度极高，周围会产生巨大的引力场，它附近所有物质都难逃一吸，连宇宙中传播速度最快的光，也无法在黑洞中完成出它的出色射程。

                                                               ▲ 黑洞的艺术构想图

而黑洞周围引力巨大的区域，就被称为「事件视界」，只要跨过这个边界，一切物理定律在此都会失效，「事件视界望远镜」拍摄的就是两个黑洞的这一部分。

1915 年，爱因斯坦在广义相对论中最先预言了「黑洞」，1968 年，美国天文学家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名词，虽然之后也出现过一些黑洞的间接影像可以证明它身处星河之中，但没人见过黑洞的真正样貌。

                                             ▲ 黑洞图像的的模拟、测量、和重建，图片来自：Katie Bouman and Jason Dexter

100 多年后的今天，人类第一次能够直接确认黑洞的存在。

同时，科学家也表示，该图像的特征和爱因斯坦的广义相对论完全一致，进一步验证了它的正确性。

多么幸运，我们成为了第一批目睹黑洞真容的人类，也可能是宇宙中第一批亲眼看见黑洞的碳基生物。

黑洞照片是怎么拍出来的？

从洪荒时代起，人类就从未停止过对头顶神秘星空的眺望。

2017 年 4 月，「事件视界望远镜」开始捕捉黑洞「事件视界」的清晰图像。这次「事件视界望远镜」的观测行动，可以说是史上最难的星际观测项目之一。

                                                     ▲ 图片来自：美国哈佛 - 史密森天体物理学中心网

首先，人马座 A 距离地球 2.6 万光年之遥，质量约等于 400 万个太阳，视界半径约 2400 万公里，而 M87 中心距离地球 5500 万光年，约等于 64 亿太阳质量。按科学家的说法，给黑洞拍照的难度就差不多等于「给月球表面的一个苹果拍照」。

其次，拍摄技术、拍摄时间、拍摄位置都让项目研究变得更加举步维艰。

于是，研究人员决定将分布在全球各地、横跨南北半球的 8 个射电望眼镜联合起来，组成一个相当于地球最大直径的大型虚拟望眼镜进行观测。

                                                     ▲事件视界望远镜的全球观测网络 . 图片来自： Nature

这里用到的观测技术，就是「甚长基线干涉测量」（VLBI）。通过这种技术，能将多个望远镜结合成一台孔径更大的望远镜，让距离不再成为限制。两个射电望远镜和一个数据处理中心，就能共同观测遥远的类星体以及河外星系。

因为黑洞本身是看不见的，这里的拍出的图像，其实是因为黑洞在「吃掉」身边恒星时，气体撕扯会产生旋转的吸积盘，加上部分吸积气体也会沿转动方向被抛出去形成喷流，这些气体摩擦都产生了明亮的光线，再加上其他频段的辐射，因此能捕捉到这些黑洞的发光现象。

                                                       ▲黑洞和积吸盘的艺术想像图 . 图片来自：Wikipedia

当 8 个射电望眼镜联合启动，VLBI 网将各射电望远镜接收到的信号转化为数字信号记录在磁盘上，然后通过数据中心处理和分析，就能获得观测目标的射电精细结构图像，最高分辨率可为哈勃空间望远镜的数百倍。

这样，我们就能看清「月球上的苹果」了。

为达到此次拍摄的极高分辨率，包括中国科学院下属的天文台机构和高校等全球 13 多个研究机构都参与进来开展研究、校准工作。

而且，不止「拍」照片难，「洗」照片更难。

这不是咔嚓一下就能完成的摄影过程。上面提到，通过 VLBI，要将事件视界望远镜的所有观测数据集合、整理。跨越南北半球的庞大的天文台资料，不能通过网络传输，需要极大储存容量的硬盘收集并邮寄到研究中心。

一次普通的 5 天观测，整个整列就会产生约 7PB 数据（1PB=1000TB=1000000GB），装满 1000-2000 个硬盘。

为了防止地球大气中的水汽阻碍数据接收，还要将观测站摆在干燥高地，但常规硬盘无法抵抗低气压。墨西哥内格拉火山多顶（海拔 4580 米）的望远镜的 32 个常规硬盘里就有 28 个无法运作，最后只好改装成氦气封装硬盘。

                                                              ▲ 图片来自： EHT

同时，计算机进行后台处理和分析海量数据也需要极长时间，各个站点收集的数据都被汇集到美国和德国两个数据中心，计算机集群要对数据时间进行合并和分析，缺失或模糊的部分，都需要科学家进行拼图完善。

单生产出这张黑洞照片，研究人员就用了 2 年左右时间。

虽然照片看起来依然是一片迷幻的「混沌」，但这次历史性的窥探，也是人类史上一块耀眼的丰碑。

照片的意义，不止让人类见到黑洞

这次的重大发现，不仅让我们能接触到黑洞的真实面貌，更重要的是，帮我们验证了爱因斯坦广义相对论和黑洞的物理性质，包括黑洞真实质量、直径、自转速度 ......

中国科学院国家天文台研究员苟利军说道：

黑洞周围会有很多分流，分流对于整个星系，以及星系演化，都起着非常重要的作用。但我们不是特别清楚它是如何产生的，我们看到黑洞周围的状况，能帮我们解决最基础的科学问题。

                                                 ▲图片来自：新华社采访截图

这只是一个开始，未来 EHT 还会带来更多前所未有的科学成果。而这次黑洞的项目成果，无疑让我们进入了一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。

                                                             ▲ 参与 EHT 的中国科学家

EHT 也表示后续还会给更多黑洞进行拍照及研究，人类将能更深入地理解宇宙。

包括与黑洞正好相反的宇宙天体：白洞，它也是一个强引力源，但引力是从内往外，任何物质和光线都无法进入其中。虽然白洞同样是由理论推导而出的假想天体，但值得注意的是，当黑洞和白洞连接，其中的那条特殊通道就是我们更为熟悉的——虫洞。

如果有一个宇航员掉入黑洞，被黑洞的潮汐力撕成原子构成的涓涓细流，那它也很有可能在高速自转的黑洞白洞中进入多维空间隧道，也就是在虫洞之中，开始一段新的太空旅行。

                                                                ▲ 图片来自：《星际穿越》

这也是 2014 年诺兰经典的《星际穿越》剧本来源，我们通过它首次在荧幕上见到了最接近科学真相的黑洞图像「卡冈图雅」。而上面迎接那个宇航员的或许也不是死亡，而是另一片新的宇宙。

一切都在不断用实践验证的途中，人类骨子里总是沸腾着不安的血液，胸腔里跳动着我们共同的未来。「生于凡尘，归于星辰」或许将不再只是想象中的美好结局。

这也让我们再次意识到：地球不该是人类归宿的唯一答案。

                                                                   ▲ 图片来自：《星际穿越》

无论是星际旅行，还是移居火星，在目前地球资源开始一步步走向枯竭的境地下，用环保和技术来延迟地球寿命必不可少，但也许这恰好是个完美的过渡时期，借此将人类更重要的思维和力量投向群星璀璨的太空之中。

霍金在晚年时期也对人类的未来忧心忡忡。他认为地球和人类正面临着严峻的内忧外患，除了人工智能和气候问题将导致人类灭亡地球毁灭，外星人还可能随时入侵地球 ……

他曾在 2016 年在剑桥大学的一次演讲中表示：

为了人类的未来，我们必须进入太空。在不离开这个脆弱的星球的情况下，我不认为我们能活过下一个 1000 年。

虽然就算是黑洞，也可能有死亡的一天。

在霍金的黑洞热力学中，提出了「黑洞蒸发」的理论。也就是说，在非常遥远的未来，当宇宙背景辐射温度降到黑洞温度以下，此时黑洞就会向外辐射物质和能量，而黑洞本身则将慢慢消失。

当然了，人类可能根本等不到那一天，毕竟根据霍金的估算，一个质量是太阳 10 倍的黑洞，大概要花 10^{70} 年消失，而宇宙目前的年龄也只有 10^{10} 年。

不过至少现在活在地球上的我们，还能继续保持热忱、保持天真，在混杂着希望和绝望的文明里抗争相搏，在有限的生命里探索着人类和宇宙无限的可能性。

虽然渺小，却也伟大。

【来源：爱范儿】