空間科學研究所—如何給黑洞拍照

有誰還記得 這個話題？事件早就過去一年有餘，或許絕大部分人都早已忘記。但對於人類文明來講，其重要意義完全無法被其後至今所發生的其他全球性重大事件帶來的熱度所掩蓋。可能很多人只關注距離自己生活很近，能對自己生活產生實質性影響的事件，會覺得今年年初爆發的肆虐全球的疫情算是整個人類歷史進程的重大歷史事件，而「多事之秋」的今年也將會在歷史上留下近幾年中最為重要的一筆。

實則不然，今年發生的所有重大事件只不過是歷史進程中「稀鬆平常」的「波瀾」，縱觀歷史，所謂的重大事件在不同的時代總是時刻都在發生，我們作為參與整個歷史進程的一份子，今年只是碰巧經歷了其中「稀鬆平常」的幾件罷了，更巧的是疫情事件嚴重影響到了我們的生活，故此很多人的意識裡，如果整個人類史可以整理編纂成一部文檔，那麼這次疫情事件絕對可以算是其中高級別的重要文件。

我個人倒是覺得去年給黑洞拍照這件事，才會在人類歷史上留下濃墨重彩的一筆，在某種程度上，它的發生為人類文明的走向埋下了伏筆，其意義絕對非比尋常，根據我本人極不具專業學術水準的熊心豹子膽預測，Zhei事將會作為「最高級別的文件」出現在「人類史文檔」，而2019年也將是後世記載中至關重要的年份。

人類首張黑洞照片

本身黑洞是一個能引起人們強烈好奇心的存在，今天就帶大家復盤下「如何給黑洞拍照」……

關於去年事件視界望遠鏡（EHT）觀測黑洞的相關科普中，以一位來自智利的天體物理學博士做的相對最好（業內推薦及個人觀點）。他本人創作的科普漫畫兼具專業水平和設計觀感，以下便是他創作的「如何給黑洞拍照」，本人參考光頭怪博士的翻譯進行了xue微的優化，請諸位參考……

我們經常聽到光不能從黑洞中逃逸的說法。事實上儘管黑洞不發光，但在它的周圍會產生大量輻射。 正是由於有了這種輻射，我們才能研究它們。

黑洞會吸積周圍的物質（包括氣體），這些物質在向黑洞下落的過程中可以產生一個圍繞著黑洞超高速旋轉的「大圓盤」 (吸積盤)。吸積盤上的物質由於在高速旋轉的過程中與氣體之間產生劇烈的「摩擦」，從而被加熱到超過數百萬開爾文的溫度，產生各種輻射（光）。

所以儘管黑洞本身不發光，但它的周圍依然有光存在，而它就像是被光線圍繞的「影子」，我們只要找到這個被發光氣體圍繞著的「影子」就可以「看到」黑洞了。不過黑洞的大小一般很小。一個體量和地球差不多大的黑洞，其質量高達太陽質量的2150倍。我們銀河系裡的黑洞絕大多數都沒有這麼大，即便是超大質量黑洞，若想看清也得需要它離我們超級近才行。

幸運的是，幾乎所有星系的中心都有超大質量的黑洞。比如我們的銀河系中心的人馬座 A*就是一個質量相當於太陽質量的400萬倍的超大黑洞，其大小大約是太陽的2000倍左右。

那麼為什麼我們仍然看不到這些可怕的巨大黑洞？其中有一部分原因是由於在大多數波段上，輻射從銀河系中心的黑洞附近傳播到地球的漫長旅途中，會被各種粒子散射掉。

不過理論上來講，我們依然可以通過某些訣竅從而降低這些散射對觀測黑洞所帶來的不利影響。通常更高頻率的光更容易被吸收，從而不容易被散射。一個最佳的選擇便是觀測更高頻率的光，而345GHz恰好是這樣一個合適的頻率。不過即便如此，我們還有最後一個問題要解決，那就是這個黑洞距離我們太遠 (8千多的秒差距，大概2萬7千多光年)，看上去太小，基本等於去找月球上的一個橘子。這就需要我們用一架地球那麼大的望遠鏡去分辨它。

信不信由你，這事還真叫天文學家辦成了。如果能同時將全世界的射電望遠鏡都對準銀心的黑洞，那麼它們的觀測能力相當於一架大小和地球相同的射電望遠鏡 (屬於幹涉陣列)。而事件視界望遠鏡 (EHT) 就是這麼一個龐大的項目。天文學家利用這架「行星級望遠鏡」觀測了銀河系中心的超大質量黑洞和距離我們大約2千萬秒差距的室女座星系團中心大質量橢圓星系M87中心的黑洞 (這個黑洞比銀河系中心的要大得多)。

那麼我們到底能看到什麼呢？不要忘了，這些輻射來自於高速圍繞著黑洞旋轉的物質。現在，請想像一個向四面八方發出輻射的天體，若這個天體在以接近光速的速度高速運動的時候，那麼從我們的角度看到的輻射就不再是均勻地發散到各個方向了，而是向著運動的方向集中。黑洞周圍是有一個高速圍繞其旋轉的「盤子」的，故此便會有一部分物質是高速向著我們視線方向運動的。

朝向我們發射的輻射會顯得更亮一些，所以我們預期會看到一個不對稱的圖像。不僅如此，運動產生的都卜勒效應還會導致輻射能量在不同方向上的差別。最後，由於黑洞強大的引力使得光線的傳播路徑產生彎折，所以我們實際上甚至可以看到來自黑洞背面的吸積盤的輻射。

最終我們通過事件視界望遠鏡看到的圖像也許不會這麼清晰，有這麼多的細節，但依然不能否定其作為人類文明第一次真正意義上「看到」一個大質量黑洞的重要價值，我們依然能從中獲得更多的新知識。