“人类首张黑洞照片为啥高糊？一文解答8大疑问”

来自中国科普博览会公众号4月10日复印件

今晚9点，人类第一张黑洞照片在世界6地的视界面望远镜发布会上同时公布。

经过漫长的等待，在世界200多位科学家的努力下，第一张黑洞照片新鲜出炉。

第一张黑洞的照片来了&darr； &darr；

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长时间用计算机模拟得到的黑洞形象，第一次真实地出现在我们面前。 在这张来自视界面望远镜的照片中，m87中心黑洞就像电影《指环王》中索伦的魔眼，位于温暖神秘的红环中间，是一个深黑色无底的洞。

这个圆环的一侧有点亮，另一侧有点暗。 这是因为，吸积盘的运动效果向着我们的视线工作的区域因多普勒效应而变得更明亮，远离我们的视线工作的区域变暗。 中间的黑色区域是黑洞本身的光无法逃离的地方。

1968年美国天体物理学家约翰·； 惠勒提出了黑洞的概念，直到一百多年前德国物理学家卡尔·； 史瓦西给出了黑洞的准确解，今天我们得到了第一张黑洞的照片，人类对黑洞和宇宙的认识又迈出了关键的一步。

年4月，世界8个射电望远镜阵列组成虚拟望远镜网络事件视界望远镜( eht )，拍摄第一张黑洞照片时，我们可以点击(/s2 ) )观看原文) )/s2/) )。 人类第一次看到黑洞时，无论我们最终得到的黑洞图像如何像电影画面一样通常是壮观的，或者只有一些模糊像素的事件视界望远镜的观测结果不仅仅是照片，而是与爱因斯坦的广义相对论相呼应的同时， 我们是史上第一个&lsquo； 看到黑洞的人，真幸运。

两年后，这张珍贵的照片为幸运的我们解答，提出了越来越多的问题。

(/S2 ) Q1 )这张活跃在世界各地的照片，到底是怎么拍摄的呢？

(点击视频了解如何观测到看不见的黑洞&darr； &darr； ）

打不开吗？ 点击这里>； >； >；

在过去的十多年里，麻省理工学院( mit )的科学家们与其他研究机构的科学家合作，开展了令人兴奋的事情视界望远镜项目，对世界上许多8个亚毫米波射电望远镜和黑洞进行了观测。

事视界望远镜由位于四大洲的8台射电望远镜构成，图中的黄线是连接这些望远镜的基线，由此构成了与地球同样大小的望远镜。 (图像来源: eht )

北到西班牙，南到南极，是选定的目标(两年前视界面望远镜选定了两个观测目标。 一个是银河中心黑洞sgra*，另一个是银河m87中心的黑洞( ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )扩展了巨大的网络，从而获得了庞大的数据

其实，亚毫米波段与我们熟知的可见光有着天壤之别。 由于该波段无法直接看到，因此如果利用亚毫米波波段拍摄黑洞，则实际上可以得到从黑洞周围发射的空间分布图。

在我们日常接触的光学照片中，反映了光学波段不同颜色或频率的光子在不同空之间的位置分布。 明白了这一点，就很容易理解亚毫米波段黑洞照相馆的原理了。

尽管在单一频率下观测亚毫米波段，但黑洞周围不同区域的光子产生的辐射强度不同，因此可以得到光子强度分布图。 然后，假设不同的强度对应不同的颜色，那么伪色图的颜色很可能是科学家根据个人喜好自己设定的颜色。 另外，也可以说明m87的照片为什么是魔的颜色。 不是电影《星际穿越》黑洞卡秋莎明亮的黄色。

(/S2 ) Q2 )电影《《星际穿越》》中出现的卡根图雅黑洞，拥有无底的黑色中心和立体清晰的气圈，这次发布的照片中的m87为什么多处模糊？

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和光学照片的清晰度问题一样，根源在于分辨率。

天文学家已知的知识表明，要提高望远镜的分辨率，可以做两个努力:降低观测波段的光子波长和增加望远镜的较有效口径。 这次，通过vlbi技术将世界8个不同地方的望远镜联网，得到了口径可达1万公里的望远镜。 在vlbi技术比较成熟的电波频带中，科学家们选择了能量最高的地区毫米波和亚毫米波频带。

(点击视频了解vlbi技术)

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值得注意的是，这里比较有效的口径取决于望远镜互联网中相距最远的两个望远镜之间的距离。 年有8个亚毫米波望远镜参加观测，年北极圈内还有格陵兰亚毫米波望远镜也参加，基线长度进一步增加，望远镜的分辨率也进一步改善。

但是，尽管我们现在的亚毫米波望远镜基线已经达到了1万公里，空之间的分辨率却刚刚达到了黑洞视界面的尺寸，所以在科学家们观测到的有限领域内，。 在《星际穿越》电影中，天文学家基普·； 索恩设想的黑洞形象，包括吸积盘的一些具体细节通过技术手段表现出来，但在实际情况下，我们在照片中只能看到吸积盘上的几处亮斑。

随之而来的一个问题是，由于两个望远镜放得很远可以实现更高的分辨率，所以只用两个望远镜就能完成黑洞的照片吗？

很遗憾，不行。 观测要求的不仅是分辨率，灵敏度高分辨率越来越看得见细节，但高灵敏度甚至可以看到更暗的天体。

在视界面望远镜阵列中，位于南极的spt望远镜在加长基线长度、提高望远镜分辨率方面起着非常大的作用，而位于智利的alma望远镜阵列对提高灵敏度越重要，望远镜的实际有效面积越大，灵敏度也越高，alma望远镜阵列对视界面望远镜的灵敏度就越高，为110

将来，如果在该阵列中增加更多的望远镜，则可以检测到更弱的辐射区域，看到更多的细节，得到更清晰的黑洞照片。

:视界面望远镜于年开始为黑洞拍照，并于2019年公布了成果。 为什么这张简单模糊的照片被冲洗了两年多？

第一，望远镜观测到的数据量非常庞大。 年8个望远镜的数据量达到10Pb(=10240TB )，年格陵兰望远镜增加，数据量持续增加。 庞大的数据量为了解决而增加了数据解决的难度。

另外，在数据解决的过程中，科学家们也遇到了许多技术难题黑洞附近的气体处于极端的环境中，其运动存在很多不明确性，为了应对这些问题，科学家们提出了特定的程序和工具。

最后，为了保证结果的正确性，在最终的数据解决时，严谨的科学家们会在两个不同的地方分别解决和分别验证。 在全世界建立了两个数据中心。 一个在美国麻省理工学院，另一个在德国马普托电波所。 两者相互独立地解决数据，并相互验证和校正，保证了最终结果的准确可靠。

:黑洞的研究由来已久。 四年前引力波让我们听到了来自黑洞合并的声音。 为什么直到今天才看到黑洞的照片？

简单来说，是因为黑洞的区域太小，以前望远镜的角分辨率和放大率不够高。 在这几年里，实现了可以看到黑洞附近区域的分辨率。

其实，在年进行全球网络观测之前，世界上许多科学家已经为此努力了十多年。 同时，利用8个望远镜阵列中的几个进行了互联网尝试，探测到了银河系黑洞附近的地区。 结果，确实在亚毫米波段检测出了周围的放射线。 这给了球队很大的信心。

在此之前，科学家掌握了大量说明黑洞实际存在的电磁观测数据，但这些证据只是间接的少数科学家提出了一些奇怪的理论，作为黑洞的替代物。 因为没有直接观测到黑洞的样子。

年检测到的双黑洞合并引起的引力波，让人们越来越相信黑洞的存在。 但是引力波是声波一样的听法，而电磁法是看法，对于更现实，更倾向于图中有真相的人类来说，用直观的电磁法探测黑洞是非常值得期待的。 因此，年初直接检测到引力波后，视界面望远镜并没有放弃观测，反而用全球网络的方法将这种检测技术提高到了极致。

(/S2 ) Q5 )这样花了很多时间，不仅满足了人们可见的愿望，黑洞的照片对验证相对论、暴露银河的演化有什么意义呢？

这次的直接图像不仅有助于直接确认黑洞的存在，还可以模拟观测数据，从而实现爱因斯坦 在视界面望远镜的事业过程和之后的数据观察过程中，科学家们发现观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，再次感叹爱因斯坦的伟大。

另一个重要的作用是，科学家们可以通过黑洞阴影的大小来限制中心黑洞的质量了。 这次对m87中心的黑洞的质量进行了独立的测量。 在此之前，准确测量黑洞质量的手段非常多，非常复杂。

受观测分辨率和灵敏度等因素的限制，目前黑洞的详细分解还不完全。 随着未来越来越多的望远镜加入，我们期待着看到黑洞周边更丰富的细节，更深入地了解黑洞周边的气体运动、喷流的产生和聚焦机理，从而完善对星系演化的认识和理解。

:那么，黑洞照相馆可以拍所有黑洞的照片吗？

科学家探测黑洞是通过探测黑洞周围的吸积盘和黑洞喷流产生的辐射，间接地探测黑洞的存在。

理论上，产生放射线的黑洞都适合拍照，但由于技术限制，只能选择拍摄看起来非常大的黑洞，以便能够看到黑洞周围的细微部分。

视界面望远镜在这次观测中，实际上选定了两个目标。 一个是我们银河系中心的超大质量黑洞，质量为450万倍的太阳质量，距离地球2.6万光年。 另一个是位于m87银河中心的黑洞，其质量为65亿倍的太阳质量，距离地球5300万光年。

黑洞的半径一般用史瓦西半径来描述，与黑洞的质量有唯一的比例关系。 如果将视界大小定义为黑洞直径与黑洞距离之比，则可以看到银河系中心黑洞视界大小约为m87中心黑洞视界大小的1.4倍。 这是我们所知道的最大的两个黑洞，但是任何质量只有几十个太阳质量的恒星级黑洞，尽管距离很近，但由于质量太小，能见度很小，所以很难被望远镜看到。

:银河系中心超大质量黑洞这么大，距离这么近，为什么这次只发表了更远的m87照片而不是银河系中心黑洞的照片呢？

m87中心黑洞附近的气体活动比较剧烈，我们以前观测到过它产生的强喷流，但与相比，银河系黑洞的活动并不剧烈。

另一个非常重要的原因是，我们的太阳系位于银河系的银盘上，当我们试图用视界面望远镜检测来自黑洞周围的辐射和光子时，这些光子是

m87是一个气体稀少的椭圆星系，气体干扰比较少，科学家们可以比较顺利地进行观测。 在大气层内观测天体时也会发生同样的情况。 由于大气紊乱，望远镜的分辨率有时很难达到理想的状况。 消除星际气体散射的效果是科学家今后必须克服的重要课题。

问题8 :今晚中国上海的eht项目和中科院也公布了这一重大成果。 中国科学家在黑洞照相馆扮演了什么角色？ 全球科学家是如何协同作战的？

中国大陆的望远镜不直接参与视界面望远镜的观测。 最直接的原因之一是建造在中国大陆的两个亚毫米波望远镜(一个是位于青海省德林哈的13.7米望远镜，另一个是位于西藏的ccosma望远镜)不具有vlbi网络功能。 但是，即使这些可以连接到网络上，也不能进行同步观察。 因为，我们的两个望远镜位于灵敏度非常高的alma阵列的背面。

被广泛熟知的中国fast天眼望远镜也没有机会参加视界面望远镜的观测。 (/S2 ) )首先，业务频带不同，另外亚毫米波光子容易被大气中的水蒸气吸收，因此视界面望远镜位于海拔高、干燥的地方，例如阿尔法望远镜位于海拔5000米多的acatama沙漠中。

但是，位于夏威夷的麦克斯韦望远镜 JCMT [/S2/]/S2// S2/]

另外，一些中国科学家也参加了后期的数据观察和讨论，为世界上第一张黑洞照片做出了贡献。

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