M87黑洞：人類首張黑洞照片。圖源：EHT官網(wǎng)[1]。

撰文 | 吳寅昊

責(zé)編 | 陳曉雪

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北京時(shí)間2019年4月10日晚9點(diǎn)，就在我樓下的上海天文臺(tái)天文大廈的報(bào)告廳里，人類通過(guò)EHT（Event Horizon Telescope，事件視界望遠(yuǎn)鏡）拍攝的首張黑洞的“照片”公布了。

這不是我親歷的第一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)，但無(wú)疑是最讓人澎湃的。就好像一年多以前在網(wǎng)絡(luò)上看的那場(chǎng)在紫金山天文臺(tái)舉行的關(guān)于觀測(cè)到的雙中子星合并引力波事件GW170817的發(fā)布會(huì)，也好像2016年初LIGO關(guān)于引力波的那一次發(fā)布會(huì)。

在發(fā)布會(huì)之前，我已經(jīng)從參與EHT項(xiàng)目的老師口中或多或少地窺探到了照片的芳影，比如所謂的“一個(gè)光圈”，比如所謂的“Shadow”。用老師的一句話來(lái)說(shuō)就是，“和理論預(yù)期的幾乎一模一樣”。

當(dāng)時(shí)聽(tīng)到這句話時(shí)，我腦海里第一時(shí)間浮現(xiàn)出來(lái)的就是《星際穿越》里的那個(gè)超大質(zhì)量黑洞“卡岡圖雅”。圖源：《星際穿越》[2]。

從左至右依次為黑洞觀測(cè)圖像、廣義相對(duì)論框架下磁流體數(shù)值模擬（GRMHD）得到的圖像、GRMHD得到的圖像換算到觀測(cè)精度之后得到的圖像[3]。圖源：The Event Horizon Telescope Collaboration。

此前，天文學(xué)及物理學(xué)研究者都知道，黑洞是存在的，只是由于廣義相對(duì)論效應(yīng)，我們看不到它而已。

那么，既然看不到黑洞，我們是怎么知道它的存在的呢？

故事要從1783年，英國(guó)地質(zhì)學(xué)家米歇爾向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交的一篇論文說(shuō)起。在這篇論文中，米歇爾利用牛頓力學(xué)估算了一種很奇妙的情況：如果一個(gè)星體半徑是太陽(yáng)的500倍，而密度和太陽(yáng)一樣，那么光線就無(wú)逃脫該星體的引力束縛，這個(gè)星體就是“暗星”（Dark Star）。13年后，也就是1796年，法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯在其著名的《宇宙體系論》一書(shū)的最初兩版中提出了類似的想法。

一百多年后，1915年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論。一年后，1916年，卡爾·史瓦西在一戰(zhàn)的戰(zhàn)壕中找出了廣義相對(duì)論的一個(gè)沒(méi)有自旋的球?qū)ΨQ天體的引力場(chǎng)方程的解。史瓦西認(rèn)為，對(duì)于一個(gè)給定質(zhì)量的星球，存在一個(gè)臨界半徑，從這半徑處發(fā)出的光將具有無(wú)窮大的引力紅移，以致于在其外部任何地方的觀測(cè)者都無(wú)法接收到。這就是我們現(xiàn)在常提到的史瓦西黑洞的穩(wěn)定靜態(tài)解，證明廣義相對(duì)論在理論上是預(yù)言了黑洞的存在。

巧合的是，史瓦西解的視界半徑和牛頓力學(xué)預(yù)言的“暗星”的解相吻合。又過(guò)了五十多年，約翰·惠勒在1967年為史瓦西預(yù)言的天體命名，“黑洞”（Black Hole）就此誕生了。在這之前，人們用“凍結(jié)星”（Frozen Star）、“暗星”、“塌縮星”（Collapsed Star）來(lái)形容這類天體。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦。圖源：維基百科。

對(duì)于黑洞，我們可以簡(jiǎn)單地理解為，因?yàn)檫B光也無(wú)法逃出它的魔爪，這也就意味著在光學(xué)上我們沒(méi)辦法看到黑洞的模樣。

那么，基于無(wú)法看到黑洞，很多人跳出來(lái)表示“黑洞不存在”“科學(xué)家都是騙子”。

但是，看不見(jiàn)不意味著不存在。

長(zhǎng)久以來(lái)，天文學(xué)家們都抱著極大的熱情來(lái)搜尋黑洞這一看不見(jiàn)的怪物。

下面，我將通過(guò)對(duì)恒星級(jí)黑洞的搜尋來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下如何尋找黑洞 [4]。

天文學(xué)家估計(jì)，在宇宙中應(yīng)該存在著相當(dāng)數(shù)量的黑洞，但估計(jì)畢竟只是估計(jì)，在完全看到他們之前我們也不敢保證就是對(duì)的，因?yàn)槟壳皩?duì)黑洞的搜尋效果甚微。

其中主要有兩個(gè)原因。

首先，確定一個(gè)天體是否為黑洞就必須要知道這個(gè)天體的兩個(gè)量，質(zhì)量和半徑，然后把天體半徑與視界半徑相比較，當(dāng)半徑小于視界半徑時(shí)，才可以確認(rèn)其為黑洞。質(zhì)量可以通過(guò)雙星系統(tǒng)的軌道運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量，但是半徑的測(cè)量側(cè)面臨著許多困難。我們知道，黑洞視界半徑很小，遠(yuǎn)小于星系之間的距離，在這種情況下分辨黑洞難度過(guò)大。

其次，由于黑洞強(qiáng)大的引力效應(yīng)，黑洞周圍都會(huì)存在著大量的星際物質(zhì)（例如吸積盤），而這些星際物質(zhì)往往會(huì)產(chǎn)生大量的輻射，從而在光學(xué)變得可見(jiàn)（例如《星際穿越》中的卡岡圖雅黑洞周圍就有一圈明亮的光環(huán)），而這會(huì)影響我們判斷黑洞的實(shí)際大小。

以上兩個(gè)原因也就斷了我們直接看到黑洞的念想，但是給天文學(xué)家留下了通過(guò)間接測(cè)量看到黑洞的希望。

首先恒星級(jí)黑洞指的是質(zhì)量在3倍的太陽(yáng)質(zhì)量到20倍的太陽(yáng)質(zhì)量之間的黑洞，這種黑洞不同于目前成因未知的超大質(zhì)量黑洞，它們是某些恒星“星生”的終點(diǎn)。

目前天文學(xué)家一般是通過(guò)致密星的質(zhì)量來(lái)區(qū)分的。天文學(xué)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，中子星的質(zhì)量上限是 3倍的太陽(yáng)質(zhì)量，如果致密星超過(guò)這一上限，那么必為黑洞。

黑洞（上）、中子星（中）與白矮星（下，由于太大所以只畫(huà)了一部分），在同是1.2倍太陽(yáng)質(zhì)量的情況下的大小對(duì)比。圖源：《星際穿越》[2]。

這時(shí)候可能又有人要問(wèn)了，既然這么容易區(qū)分，那為什么開(kāi)頭還說(shuō)“效果甚微”呢？

很簡(jiǎn)單，我們不可能直接測(cè)定雙星系統(tǒng)中的致密星質(zhì)量，只能利用可見(jiàn)子星的譜線移動(dòng)來(lái)得到其軌道參數(shù)，然后通過(guò)開(kāi)普勒定律來(lái)計(jì)算雙星的總質(zhì)量，最后通過(guò)一系列的比較來(lái)估計(jì)致密星的質(zhì)量，操作存在著很大的誤差，而且之前提到致密星周圍通常會(huì)有明亮的吸積盤，這也就意味著可見(jiàn)子星的光譜容易被吸積盤的光譜所掩蓋。這也是為什么理論上黑洞很多，但是被確定為黑洞的天體卻很少的原因。

以上都是關(guān)于恒星級(jí)黑洞的尋找方法，然而這次發(fā)布會(huì)EHT公布的是M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞的照片，超大質(zhì)量黑洞在哪里呢？

近些年的觀測(cè)表明，基本上每個(gè)星系的中心都存在一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，我們的銀河系也不例外，銀心存在一個(gè)名為Sgr A*的超大質(zhì)量黑洞。

EHT的觀測(cè)實(shí)際上就是以M87和Sgr A*為首要目標(biāo)的，因?yàn)樵谟钪嬷羞@兩個(gè)黑洞的角尺度是最大的。但是因?yàn)橛^測(cè)以及數(shù)據(jù)處理上更加困難，現(xiàn)在還沒(méi)有完成對(duì)Sgr A*的處理，因此本次發(fā)布會(huì)沒(méi)有公布Sgr A*的照片。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)我們會(huì)看到它的芳容的。

觀測(cè)到的恒星環(huán)繞Sgr A*的運(yùn)行軌道。圖源：《星際穿越》[2]。

順便說(shuō)一句，最近著名的預(yù)印本論文網(wǎng)站Arxiv上貼出了一篇Sgr A*的GRMHD模擬的論文 [4]，如圖所示，通過(guò)這篇文章，我們對(duì)Sgr A*的芳容有了一個(gè)預(yù)期。

利用GRMHD模擬出來(lái)的Sgr A*的概念圖。圖源：Roelofs et al. (2019)[5]

到這里，也許你又要發(fā)問(wèn)了：“既然黑洞是看不見(jiàn)的，那這次公布的照片是怎么回事呢？”

從這次發(fā)布會(huì)上EHT公布的照片中，我們可以看到，有一圈光環(huán)，光環(huán)內(nèi)部是一團(tuán)陰影。

這個(gè)光圈并不是對(duì)應(yīng)著EHT的名稱中的“EH”——黑洞事件視界面，而是黑洞的光子捕獲半徑（Photon Capture Radius ）。

很多人（包括很多天文學(xué)家），都會(huì)把光子捕獲半徑這個(gè)概念與另一個(gè)概念相混淆，這個(gè)概念叫做最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道（Innermost Stable Circular Orbit）。

該半徑指的是在黑洞引力場(chǎng)中的實(shí)驗(yàn)粒子能夠做穩(wěn)定圓運(yùn)動(dòng)的最小半徑。在此半徑之內(nèi)，粒子無(wú)法做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)。

最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道示意圖。黃色實(shí)線為最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道，虛線為視界，黑色實(shí)線為黑洞吸積盤內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)軌跡。圖源：Abramowicz et al. (2010)[6]

根據(jù)廣義相對(duì)論的計(jì)算，最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑應(yīng)該等于3倍的視界半徑。

然而，光子捕獲半徑的概念與最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道半徑的概念是完全不一樣的。

那么究竟什么是光子捕獲半徑呢？

按照廣義相對(duì)論，盡管光子的靜質(zhì)量為零，但是光子的動(dòng)質(zhì)量是不為零的，因此光子應(yīng)具有引力質(zhì)量，也就是說(shuō)光子能產(chǎn)生引力場(chǎng)，也必然會(huì)受到其他物體的引力作用。

因此，當(dāng)一束平行光從無(wú)窮遠(yuǎn)處射向黑洞周圍時(shí)，平行光與黑洞的最短距離我們稱之為瞄準(zhǔn)半徑。如圖所示，當(dāng)瞄準(zhǔn)半徑足夠小時(shí)，光子會(huì)回旋地落向黑洞視界因此無(wú)法到達(dá)觀測(cè)者；當(dāng)瞄準(zhǔn)半徑足夠大時(shí)，光子會(huì)被散射回?zé)o窮遠(yuǎn)處，因此光線會(huì)在黑洞的引力作用下發(fā)生偏折，也就是所謂的“引力透鏡”效應(yīng)。因此，自然而然的我們可以得出，當(dāng)瞄準(zhǔn)半徑處于一個(gè)臨界值時(shí)，光子會(huì)形成一個(gè)環(huán)，在這個(gè)環(huán)上，光子既不會(huì)產(chǎn)生偏折，也不會(huì)落入黑洞。這個(gè)臨界值就是光子捕獲半徑。

黃色部分即為光子捕獲半徑。圖源：作者。

舉個(gè)例子，一束平行光打在黑洞上，很顯然當(dāng)光子離黑洞足夠近的時(shí)候，它就再也出不去了這個(gè)足夠近的位置，就是光子捕獲半徑。

光子捕獲半徑示意圖。圖源：Luminet (1979)[7]。

EHT是在射電波段對(duì)黑洞進(jìn)行的“拍攝”，而射電輻射主要是從光子環(huán)上發(fā)出來(lái)的，所以我們可以看到一個(gè)明亮的光圈。而光圈內(nèi)部的黑影，就是黑洞本尊所處的位置。

黑洞“Shadow”概念圖。圖源：Luminet (1979)[7]。

按照EHT在發(fā)布會(huì)同一時(shí)刻發(fā)布的文章中的計(jì)算，從無(wú)窮遠(yuǎn)處進(jìn)行觀察，光子捕獲半徑大約是倍的黑洞引力半徑，即“2.5倍視界半徑”。

2017年4月觀測(cè)得到的M87黑洞圖像的對(duì)比[8]。圖源：The Event Horizon Telescope Collaboration。

發(fā)布會(huì)上沈志強(qiáng)臺(tái)長(zhǎng)介紹說(shuō)是有16位中國(guó)（大陸）科學(xué)家參與了EHT項(xiàng)目，從EHT發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters（ApJL）上的六篇文章的作者列表里，我們可以看到這16位中國(guó)科學(xué)家分別是（排名按文章順序）：

本次EHT的觀測(cè)是利用全球8個(gè)大型射電天文望遠(yuǎn)鏡組成的 VLBI（Very Long Baseline Interferometry，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量）技術(shù)進(jìn)行的觀測(cè)，并且在觀測(cè)結(jié)果出來(lái)前后通過(guò)各種分辨率的GRMHD數(shù)值模擬與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以檢驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與理論的符合情況。

以上16位中國(guó)學(xué)者均是天體物理觀測(cè)或VLBI技術(shù)及理論或數(shù)值模擬領(lǐng)域的專家。

出席了此次在上海天文臺(tái)舉行的新聞發(fā)布會(huì)的中國(guó)科學(xué)家。圖源：作者。

從EHT計(jì)劃的雛形開(kāi)始，他們便著手推動(dòng)EHT的國(guó)際合作，并且在對(duì)相關(guān)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)申請(qǐng)、后期的數(shù)據(jù)處理及觀測(cè)結(jié)果的理論分析等方面做出了突出貢獻(xiàn)。

其中，上海天文臺(tái)的袁峰研究員更是論文發(fā)表工作組 (Publication Working Group) 的五成員之一。該工作組的職責(zé)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)研究者之間的合作、各個(gè)課題組論文初稿的把關(guān)、內(nèi)部審稿、直至最終投稿的全部過(guò)程。

可能讀者會(huì)覺(jué)得這個(gè)工作組的作用類似于期刊、雜志社的科學(xué)編輯，但實(shí)際上，他們的作用遠(yuǎn)不止于此。

EHT團(tuán)隊(duì)中有著來(lái)自不同國(guó)家、不同課題組的二百多名天文學(xué)家，在研究過(guò)程中，自然而然的會(huì)產(chǎn)生一些不同的意見(jiàn)，彼此之間都希望自己的觀點(diǎn)可以被接受。

比如在觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，由于EHT采用的VLBI技術(shù)是全球多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡共同作用的結(jié)果，為了增加工作效率，各個(gè)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)被送到不同的課題組進(jìn)行處理，然后匯總在一起。在這個(gè)過(guò)程中，不同課題組可能會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)處理的細(xì)節(jié)問(wèn)題而展開(kāi)爭(zhēng)論、甚至相同課題組內(nèi)組長(zhǎng)和副組長(zhǎng)之間都不能互相說(shuō)服的現(xiàn)象（據(jù)說(shuō)Sgr A*的照片遲遲無(wú)法公布，就是因?yàn)檫@個(gè)原因）。甚至當(dāng)數(shù)據(jù)處理完成之后，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析和理論討論的過(guò)程中，也不能避免這種情況。

這時(shí)候，就需要一些在該領(lǐng)域具有話語(yǔ)權(quán)的專家來(lái)協(xié)調(diào)各方意見(jiàn)，依靠自己的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)識(shí)，說(shuō)服各方，從而達(dá)成共識(shí)。這就是論文發(fā)表工作組。

對(duì)于這種二百多人參與的大型國(guó)際合作項(xiàng)目，可以說(shuō)這個(gè)領(lǐng)域的國(guó)際上的專家大部分都參與了，所以團(tuán)隊(duì)內(nèi)部把關(guān)非常重要。

此外，有人可能會(huì)問(wèn)：“有沒(méi)有中國(guó)的望遠(yuǎn)鏡參與？”

答案是有的，但是不是大眾所熟知的上海65米射電望遠(yuǎn)鏡（天馬望遠(yuǎn)鏡）或者500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），而是麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）。

JCMT全稱是James clerk Maxwell Telescope，顧名思義，是為了紀(jì)念偉大的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的。JCMT沒(méi)有位于中國(guó)大陸，而是位于夏威夷莫納克亞山頂。是一座亞毫米波段的望遠(yuǎn)鏡，它的拋物面天線直徑為15米，由英國(guó)、荷蘭和加拿大合作研制，于1986年底投入運(yùn)行。

麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（中）。圖源：維基百科。

自2015年2月起，JCMT由東亞核心天文臺(tái)聯(lián)盟（East Asian Core Observatories Association，簡(jiǎn)稱EACOA）管理運(yùn)行。東亞核心天文臺(tái)聯(lián)盟成立于2014年底，由中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)中心（由國(guó)家天文臺(tái)、上海天文臺(tái)和紫金山天文臺(tái)共同組成）、日本國(guó)立天文臺(tái)、中國(guó)臺(tái)灣中央研究院天文及天文物理研究所及韓國(guó)天文學(xué)與空間科學(xué)研究所共同組成，這也是為什么上海、東京及臺(tái)灣可以舉行此次新聞發(fā)布會(huì)的一個(gè)重要原因。

東亞核心天文臺(tái)聯(lián)盟的標(biāo)志。圖源：東亞核心天文臺(tái)官網(wǎng)[9]。

EHT項(xiàng)目帶給我們的遠(yuǎn)非一張照片那么簡(jiǎn)單。

這張照片的背后是十幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)、二百多名科學(xué)家共同奮斗兩年的成果，是自米歇爾開(kāi)始三百多年對(duì)“暗星”的求索，是全球八臺(tái)射電陣列、共計(jì)10PB（1PB=1024TB）的數(shù)據(jù)，是無(wú)數(shù)人類對(duì)未知的好奇。

誠(chéng)然，EHT的這張照片也許無(wú)法為我們帶來(lái)一個(gè)新的學(xué)科，但它帶給我們了一份無(wú)與倫比的感動(dòng)。

就像《天龍八部》里的虛竹第一次看到西夏公主面紗下的樣子一樣，科學(xué)家們也第一次看到了自己夢(mèng)中情人的臉龐。

愛(ài)因斯坦和輪椅上的斯蒂芬·霍金，相信愛(ài)因斯坦手里的蘋果是屬于伊薩克·牛頓的。圖源：DeluceArt。

通過(guò)一張照片，EHT讓我們知道了黑洞的樣子。最重要的，它也讓我們知道，只要有一個(gè)共同的理想，不分膚色、不分國(guó)籍、不分性別，我們可以放下成見(jiàn)走到一起，為了共同的目標(biāo)而揮灑汗水。今天的EHT如此，明天的SKA如是。

聽(tīng)說(shuō)，有人曾經(jīng)問(wèn)斯蒂芬·霍金，“你為什么要研究黑洞？”

霍金回答說(shuō)，“因?yàn)楹诙淳驮谀抢铩！? 

 參考文獻(xiàn)：

[1]  http://www./

[2]  基普·索恩. 星際穿越[M]. 浙江人民出版社, 2015.

[3]  The Event Horizon Telescope Collaboration. First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2019, 875.

[4]  陸埮. 現(xiàn)代天體物理[M]. 北京大學(xué)出版社, 2014.

[5]  Roelofs F, Falcke H, et al. Simulations of imaging the event horizon of Sagittarius A* from space[J]. Astronomy & Astrophysics, arXiv:1904.04934.

[6]  Abramowicz M A , Jaroszynski M , Kato S , et al. Leaving the innermost stable circular orbit: The inner edge of a black-hole accretion disk at various luminosities[J]. Astronomy and Astrophysics, 2010, 521(2).

[7]  Luminet J P . Image of a spherical black hole with thin accretion disk[J]. Astronomy & Astrophysics, 1979, 75:228-235.

[8]  The Event Horizon Telescope Collaboration. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2019, 875.

[9]  http://www./

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