首張黑洞照片。
事件視界望遠鏡合作組織供圖
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黑洞是廣義相對論預言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作事件視界。
四大洲、8個觀測點組成虛擬望遠鏡網絡，讓黑洞首次有了一張“正面照”。
近年來，中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創新養分的同時，也不斷貢獻中國智慧。
大量天文觀測數據已証實，浩瀚的宇宙當中，無數的黑洞神秘地藏身於各星系中。但人類卻從未直接“看”到過黑洞真容。
2017年4月5日到14日之間，來自全球30多個研究所的科學家們啟動了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃。他們將分布於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡。最終，科學家們成功拍攝到了黑洞的第一張“照片”。北京時間4月10日21時，這張“大片”在美國華盛頓、中國上海和台北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時發布。
4年前，兩個黑洞合並產生的引力波信號被科學家“捕捉”到，成為科學界的一個裡程碑事件，人類開始“聽”到黑洞。這一次，人類終於眼見為實。
有許多間接証據証明黑洞的存在，但科學家從未直接“看”到
黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。
黑洞怎麼形成的？像宇宙萬物一樣，恆星也會衰老死亡。一些大質量恆星在核聚變反應燃料耗盡時，內核會急劇塌縮，所有物質快速向著一個點坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點，並形成一個強大的力場漩渦，扭曲周圍時空，成為黑洞。
根據質量，天文學家將宇宙中的黑洞分成三類：恆星級質量黑洞（幾十倍到上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介於兩者之間）。根據理論推算，銀河系中應該存在著上千萬個恆星量級的黑洞。然而，因為黑洞自身不發射和反射電磁波，儀器和肉眼都無法直接觀測到它。
既然無法“看見”，怎麼知道它存在呢？天文學家們主要是通過各種間接的証據。一是恆星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恆星、氣體會產生影響，可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。二是根據黑洞吸積物質，也就是“吃東西”時發出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。到目前為止，通過間接的觀測，科學家們在銀河系發現和確認了20多個恆星級質量黑洞，但可能有上千萬個恆星級黑洞候選體。
中國科學院上海天文台研究員沈志強說：“宇宙每個星系中心都有一個超大質量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆，它的質量大約是太陽質量的400多萬倍。除此之外，銀河系還有很多恆星級黑洞。”
黑洞和宇宙的誕生和演化有何關系？又和我們人類有什麼關系？為了更准確清晰地解答這些問題，科學家們想直接“看”到黑洞。
口徑如地球大小的虛擬望遠鏡，靈敏度和分辨本領前所未有
廣義相對論預言，雖然黑洞本身不發光，但因為黑洞的存在，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉化為光和熱，因此氣體被加熱至數十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環。
中國科學院上海天文台研究員路如森說：“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’証據。這就必須要保証望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節足夠小，從而保証看得到和看得清。”
但滿足上述所有條件，望遠鏡的口徑需要像地球大小。然而，目前地球上已有的單個望遠鏡最大口徑也隻有500米，遠遠不夠用。怎麼解決？
一個難以想象的大科學計劃誕生了：用分布全球的8個觀測點，組成一個口徑如地球直徑大小的虛擬望遠鏡，其所達到的靈敏度和分辨本領都是前所未有的。條件苛刻的觀測點，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。
全球超過200名科學家達成了“事件視界望遠鏡”（EHT）這一重大國際合作計劃，決定利用甚長基線干涉測量技術。沈志強說：“就是利用多個位於不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測，最后將數據進行相關性分析之后合並，這一技術在射電波段已相當成熟。”
被拍照的黑洞質量超大，但因距離遙遠，就像在地球上看放在月球表面的橙子
在組建大型虛擬望遠鏡的同時，科學家們也在尋找著合適的拍攝目標。
黑洞陰影和周圍環繞的新月般光環非常小。在拍照設備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標。
科學家們甄選之后，決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標：一個是位於人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個則是位於射電星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大質量黑洞。
沈志強說：“由於黑洞事件視界的大小與其質量成正比，這也意味著質量越大，其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優的成像候選體。”
盡管被選擇的兩個黑洞已是最優成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。Sgr A*黑洞的質量大約相當於400萬個太陽，所對應的視界面尺寸約為2400萬公裡，相當於17個太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2.5萬光年之遙。“這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概隻有針尖那麼小，就像我們站在地球上去觀看一個放在月球表面的橙子。”沈志強說。
M87中心黑洞的質量更為巨大，達到了60億個太陽質量。盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因質量龐大，所以它的事件視界對科學家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大一點。
要想看清楚兩個黑洞事件視界的細節，事件視界望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。要多高呢？路如森說：“比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上。”但也別以為，隻要虛擬望遠鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。如同觀看電視節目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，在合適的波段進行觀測至關重要。
