第一张黑洞照片终于公布了，这是世界科学家共同努力的结果

2019-04-11 16:02发布

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写在前面

EHT是由分布在地球上的八个射电望远镜组成的干涉仪阵列，目的就是获得黑洞的图像。EHT瞄准了超大椭圆星系M87中心的超大质量黑洞，捕捉到了黑洞阴影和吸积盘。从观测角度来说，吸积盘的直径只有40微角秒，相当于从地球上测量月球表面一个苹果的直径。

正如昨天发布会公告中讲述的那样，世界各地的科学家和组织付出了巨大的努力，这也证明了科学家理论与协调性结合的强大，我们甚至有机会观察黑洞。这一结果源于2017年4月的一次观察活动，当时这一全球无线电天线网络同时观测到了M87。

这张令人震惊的新图像显示了距地球约5500万光年的椭圆星系M87中心的超大质量黑洞。这个黑洞是太阳质量的65亿倍。捕捉到它需要八个地面射电望远镜在全球范围内共同工作，就好像整个地球是一架望远镜。

什么是黑洞呢？

黑洞是密度极高的天体，任何光和物质都无法逃脱。黑洞视界内的任何东西，都会消失，永远不会再出现，黑洞的强大引力是无法想象的，这也是黑洞为何如此难以观察的原因。从本质上说，黑洞是看不见的，但环绕在它周围的吸积盘结构却会却闪闪发光。

黑洞周围一圈发光的是什么物质？为什么是橙黄色的？

我们知道，黑洞无法直接观测，所以在照片中，中间黑圈代表了黑洞及其视界范围，由环绕黑洞的发光物质形成，这个橙黄色发光物质叫做吸积盘，它也是黑洞结构之一。

橙黄色是最强烈的辐射等级，红色没有那么强烈，黑色就是很少或根本没有辐射。也就是说在光学范围内，黑洞周围的吸积盘是白色或者橙黄色的组成的，也可能带有蓝色或红色。

从这张由EHT拍摄的照片中我们可以知道什么？有什么意义吗？

首先，黑洞周围的时空被其强大的引力扭曲了。此外，如果黑洞在旋转，那么黑洞阴影和吸积盘一定是不对称的形状，因为吸积盘是在旋转方向上被拖动的。将观察到的图像与模拟结果进行比较，可以得到黑洞的质量和自旋方向，也成为南北自旋效应。

在《天体物理杂志快报》上发表的六篇关于超高温实验结果的论文中，超高温理论和模拟工作组讨论了M87黑洞的质量和自旋。他们用超级计算机进行了几次模拟，考虑了广义相对论和磁流体动力学，并将观测结果与模拟结果进行了比较。

这证实了M87中心的超大质量黑洞的质量是太阳质量的65亿倍。吸积盘的不对称形状表明黑洞的南边更接近我们，这也是人类第一次获得黑洞的自旋信息。另外这也证实了爱因斯坦的相对论，但是本次没有证实霍金的霍金辐射。

左边是M87中心超大质量黑洞的阴影观测图像。中间是基于相对论磁流体动力学模拟的模拟图像。右边是模型与观测分辨率相卷积的图像。这些模拟是理论和模拟工作组示例，使用的数据系统不是Aterui II。

太空组织和各国科学家的努力以及具体观测方法

日本国家天文台NAOJ的川岛知友是理论与模拟研究工作组的成员。他开发了一个精确而通用的相对论辐射传输代码，这个代码要用EHT模拟，并将模拟模型与观测数据进行了比较。除了上面的方法，日本，还有台湾模拟小组还计算了一般相对论磁流体动力学和辐射传输学，同时考虑了M87黑洞周围的详细结构。川岛在昨天的发布会解释了其研究的重要性：“我们成功地获得了M87中一个旋转的超大质量黑洞的图片和自旋数据，通过超高温观测和大量的模拟。通过东亚VLBI网络的观测，我们就能建立一个模型，既能解释EHT结果，又能解释喷流观测结果，从而揭示黑洞的自旋。”

这张图片的左上是黑洞阴影模拟，波长1.3 mm，右面的是M87的3.5 mm喷射流。考虑到广义相对论、磁场和辐射传输的影响。Aterui II会用于辐射传输计算，下面是东亚VLBI网络（波长7.0 mm）观测到的M87中心周围的图像。

国际研究小组的Kawashima的模拟是用Naoj的超级计算机“Aterui II”进行的。这项研究得到了JSPS Kakenhi Grant号JP18K13594，NINS国际科学基础，网络形成项目（授予号01421701）和JICFU的支持。

本研究利用NAOJ超级计算机ATERIII(Cray XC 50)对黑洞周围的相对论辐射传输进行模拟。ATERUI II是在NAOJMizusawa校区(岩手岛)运营的，理论上的最高性能为3.087 Pflops

还有世界各国科学家的努力，有很多就不一一介绍了。

如何简单理解观测过程？

观测黑洞并提供图像是巨大挑战，因为它们的引力如此之大，以至于一旦穿过视界，任何物质甚至光都无法逃脱。所以现在的图像是几十年理论预测和技术进步的结果，同时这也是一个由200多名研究人员组成的世界科学家团队完成的非凡的成就。

回到EHT，事件地平线望远镜EHT，它实际上是一个横跨全球的射电望远镜网络。他们的综合观测能力之前已经在两个黑洞上用过了，其中一个就包括我们银河系中心的人马座A*黑洞。

八地合一，共同观测

观测黑洞所需要的这些数据太多了，不可能通过互联网传输，所以团队成员必须把他们的数据带到世界各地的硬盘上。经过两年的分析，EHT团队才利用数据整合出图像。

通过将分散在南极洲和欧洲的8个望远镜的结果结合起来，Dempsey博士（最早提出世界望远镜结合观测理论的成员）和她的同事们可以制造直径9000公里的虚拟望远镜，几乎就要和地球一样大了，这就使其成为世界上最大的望远镜。不过，想要使这个全球望远镜观察同步起来又是一个巨大挑战。操作人员必须知道这些望远镜中每一台信号的时间，还需要精确到十亿分之一秒，这样才可以确保他们都在同时观察同一个物体。这些地点包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州和西班牙内华达山脉、智利阿塔卡马沙漠和南极洲等。

美国宇航局的突出贡献

为了补充EHT的发现，美国宇航局的几个航天器在EHT的多波长工作组的协调下，通过不同波长的光来观察黑洞。美国宇航局钱德拉X射线天文台、核光谱望远镜阵列(NuSTAR)和NeilGehrelsSwift天文台也加入了观测阵列。与2017年4月的EHT一样，通过不同种类的X射线光相协调，转向M87黑洞。美国宇航局的费米伽玛射线太空望远镜也在EHT观测期间观察着M87产生的伽马射线光的变化。