黑洞看上去是什么样的？什么望远镜能做这样的观察？观测中可能遇到什么问题？
2019年4月10日，世界各地的天文学家们正鼓足干劲，大胆尝试拍摄第一张黑洞图像。这一大胆的想法需要国际合作来构建一架口径如地球大小的望远镜，并可能彻底改变我们对引力的认识。
图解：位于M87中心的超大质量黑洞，推估质量达太阳的数十亿倍。这是人类史上第一张直接对黑洞观测的天文影像，由事件视界望远镜所拍摄，发表于2019年4月10日。
那么黑洞实际看上去是什么样的？什么望远镜能做这样的观察？观测中可能遇到什么问题？
黑洞看上去是什么样的？
天文学家们认为，大部分像我们银河系这样的星系的中心都有特大质量黑洞。特大质量是一个官方术语，它表示太阳质量的几十万到几十亿倍。银河系中心的特大质量黑洞是人马座A*，它的质量是太阳质量的400万倍，却挤在一个直径不到日地距离三分之一的空间里。
图解：大麦哲伦云面前的黑洞（中心）的模拟视图。请注意引力透镜效应，从而产生两个放大，以星云最高处扭曲的视野。银河系星盘出现在顶部，扭曲成一个弧形。
尽管黑洞如预期那样普遍存在，以及在我们银河系后院里也有一个特大质量黑洞，从未有人直接描绘过黑洞。因为从黑洞这一名称可知，它们是黑的，意味着它们如此稠密以至于光线无法逃离。在爱因斯坦的广义相对论方程中，预言了在如此稠密物体的周围，引力牵引作用非常强，会使它们周围的空间弯曲，导致光线遵循弯曲的路径。
德国天文学家卡尔·史瓦西进一步断定，当你逐渐接近一个黑洞，这种弯曲终究会变得如此强烈，以至于光线会折回黑洞内部，不能逃离。这一标志着不能返回的边界被称为事件视界，有时也被称为史瓦西半径。不论劳伦斯·菲什伯恩（电影《黑洞表面》演员）告诉你什么，一旦你越过黑洞的事件视界，你就再也回不来了。不过，你还是可以看看我上一集讲掉进黑洞里会发生什么。
即使没有直接的观测结果，我们也能根据观察以不同方式推断出黑洞的存在。追踪围绕银河系中心运行的恒星的运动，举个例子，为了解释那些恒星移动的速率，科学家们揭示出有一个巨大但那光学上不可见的物体存在于那里。天文学家安德里亚·盖兹领导了这项工作的大部分工作，你可以在她的研究小组的网站上观看这些围绕银河系中心特大质量黑洞的恒星运动时的动画。
如果特大质量黑洞正在积极地吸积物质，我们也能间接看到它们。当物质掉入黑洞，会形成一个非常热的漩涡盘。当新加入的物质撞击圆盘，会以X射线形式放出高能光子，那样就可以被观测到。当然，去年一个全新的观测方法被引入，首次引力波探测，揭示了两个正在合并的中等质量黑洞。
图解：人马座A*（中央）与两个光回波（圈内）
但是所有这些方法只能间接观测黑洞。4月5日至4月14日进行的一项实验将试图直接描绘我们黑洞（人马座A*）的事件视界。当类似气态和尘埃的物质接近黑洞，它会加速并释放能量，在事件视界的位置可以看到环形或新月状。黑洞会给环的一部分投上阴影，阴影暗藏着黑洞质量和尺寸的线索。爱因斯坦的广义相对论预测这些阴影的形状为圆形，这是对观测结果能被直接测量的预言。
什么望远镜能观测黑洞？
什么望远镜能做这样的观察？天文学家们需要一架口径如地球大小的望远镜，他们通过使用多个望远镜同时观测来达到这一目标，这些望远镜遍布全球，从南极到亚利桑那州，从夏威夷到西班牙。这一望远镜阵列，包括最近位于智利沙漠中的阿塔卡玛大型毫米波天线阵列，被统称为事件视界望远镜。所有这些望远镜都工作在1.3毫米波长，换句话说，将在射电波段收集数据，这种波长能够穿透已知环绕我们（银河系）中心黑洞的厚尘埃。
“天文学家们将需要一架口径如地球大小的望远镜。”
每台望远镜收集的数据将储存在硬盘上，然后通过飞机送往波士顿附近的MIT海斯塔克天文台。在那里，信号通过一台相当于约800个CPU互连的超级计算机进行合并。更多关于天文学家如何将多个小型望远镜合并成一个大型望远镜的信息，请查看我钛物理播客上关于干涉测量学的作品。
之所以要用到如此多的望远镜，是为了创造良好的观测条件，一台望远镜可以达到的角分辨率同它的口径有关。望远镜越大，或者本案中，望远镜阵列里单个望远镜之间的距离越远，在天空中就能看到更精细的细节。即将进行的观测有望达到小于50微秒的分辨率，相当于你在纽约的一所公寓里，能够近距离感到坐在洛杉矶那儿的桌旁读25美分硬币上的字。相比之下，它的分辨率是哈勃空间望远镜所见的2000倍。
存在什么问题？
虽然射电波段的观测最有可能穿透黑洞周围的尘埃，地球大气里的水汽仍能影响结果图像的清晰度。众多不同的望远镜介入，要求每个地点的天气都是晴朗的。
每一个数据集都被印上时间标记，然后发送到超级望远镜集中处理。来自不同望远镜的信息最后集合在一起需要非常精确的原子时钟。时钟是特制的氢原子钟。这些时钟必须达到每秒误差小于一皮秒的精度。
观测后的数据处理量如此之大，以至于2018年仍得不到最终图像。但这将对我们理解像引力这样基础的概念起着重大影响。
事件视界真实存在吗?关于光在极端引力存在下如何表现的理论正确吗?黑洞是如何吸积壮大自己的?天文学家们观察到的大规模准直等离子体喷流在黑洞周围是如何形成的?
如果实验成功，事件视界望远镜项目的科学家们计划将观测目标定位于巨型椭圆星系M87中心的特大质量黑洞。尽管距离更远，这一黑洞的质量估计是太阳质量的60亿倍，也就是人马座A*质量的1500倍。爱因斯坦的理论还正确吗？敬请期待……
相关知识
位于银河系中心，被认为是一个超大质量黑洞。人马座A*可能就是此超大质量黑洞的位置。围绕人马座A*的星体的速度比银河系内其他星体的速度都要高。其中一颗称为S2的星体，就是以秒速5000公里围绕人马座A*。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3. quickanddirtytips- Perry- Sabrina Stierwalt
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