人类拍到第一张黑洞照片，验证了霍金的“黑洞无毛定理”

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人类首张黑洞照片。图片：事件视界望远镜国际合作组织

大约在50年前，天文学家就已经发现银河系中心方向有个在多波段都很明亮的辐射源，称为人马座A*（人马座A中的致密射电源）。而且通过观测银河系中心附近的星体的运动速度，可以知道这个银河系中心还具有很强的引力，这个引力能使它周围的恒星飞速绕其旋转，最快的公转周期仅仅20年，而我们的太阳系绕银河系一圈需要大约2.3亿年。天文学家推测，银河系中心是一个大黑洞，而且这个大黑洞正在吸积周边的物质。几乎每个星系的中心都有一个大质量黑洞。比如这次公布照片的M87星系中心黑洞。

为什么拍摄黑洞很难？

图：黑洞及周围的结构

银河系中心的黑洞距离我们地球26000光年，其质量大约是太阳质量的400万倍。M87星系中心的黑洞距离我们约5500万光年，质量为太阳的65亿倍。这两个黑洞都是科学家的探测目标。

在差不多100年前，天文学家史瓦西就已经给出了广义相对论中的第一个黑洞解——史瓦西解。史瓦西解描述了一个静态球对称的黑洞周围的时空性质。通过史瓦西解可以算出，1倍太阳质量的黑洞半径大概是3公里。由此可以估算，银河系中心的黑洞的半径大约是1200万公里。我们知道，太阳的半径大概是70万公里，所以银河系中心黑洞的半径大约是太阳半径的17倍。

半径1200万公里看起来好像是一个很大的尺寸，但是，相对于银河系中心距离地球的26000光年来说，这个1200万公里所对应的视角实在是小得可怜。因此，在地球上拍银河系中心的黑洞照片，因为距离实在太远，相当于在地面上拍摄月球上的一个豌豆，难度之大逼迫科学家不得不开发一个口径与地球一样大的天文望远镜——这就用到了所谓的甚长基线干涉测量技术（ery long baseline interferometry，简称LBI），其工作模式相当于把分布在全球的射电望远镜整合起来，做成一个整体来测量远方的天体。

拍摄黑洞用到了什么技术？

据，上海天文台的安涛研究员等人一直在参与甚长基线干涉测量的数据处理工作，这部分工作需要用到中国的超级计算机天河二号等设备，因为多个射电望远镜之间的协调配合需要精确计算，尤其是时间上必须同步，否则各自测量到的信号不具有同时性，那么也就无法做进一步的分析。

由于黑洞的势力范围叫做“事件视界”（落入其中的物质会被强引力吞噬，就连光也无法逃逸），因此用来观测与拍摄黑洞的射电望远镜又被称为“事件视界望远镜”。全球各地众多望远镜联合而成的“事件视界望远镜”，其相机的有效面积相当于我们地球的圆面。

这次观测银河系中心黑洞的事件视界望远镜由8个分布在世界各地的射电望远镜组成，它们分别是南极望远镜，智利的阿塔卡马大型毫米波阵和阿塔卡马探路者实验望远镜，墨西哥的大型毫米波望远镜，美国亚利桑那州的亚毫米望远镜、夏威夷的亚毫米望远镜和麦克斯韦望远镜，以及西班牙射电天文台的30米口径毫米波望远镜。

天文望远镜的分辨率与望远镜的口径成反比，同时与观测波长成反比。从口径角度来说，在用单反照相机照相的时候，追求大光圈可以提高分辨率也是这个原因。而从观测波长来说，射电波段频率在30MHz-300GHz，射电的波长在毫米到厘米级别，而可见光的波长在微米级别，因此如果想要在射电波段获得和可见光波段可比拟的分辨率，相当于要把照相机放大成口径为几千米的射电望远镜，这在实际工程建造中几乎不可能。因为射电望远镜的口径如果过大，重力、温度、风力等因素都对望远镜自身应力改变带来巨大影响，过大的天文望远镜的支撑与轴承压力很大，因此单口径射电望远镜无法做到很大——目前在贵州的FAST射电望远镜已经做到了大尺寸的极限，其口径也只有500米——离几千米还有很远的距离。因此，想要建造单口径上千米的单体望远镜在实际上显然是不可能达到的。

在这个困境中，LBI技术将望远镜分布在全球不同位置，这就相当于创造了一个口径与地球大小相当的“虚拟望远镜”，通过后期数据处理，得到的分辨率大幅提高。LBI技术中，望远镜之间的距离被称为基线，基线越长，形成的干涉望远镜阵列的分辨率越高。美国、欧洲和亚洲均已建成基线达几千公里的LBI观测网。

有了LBI观测网，剩下的关键问题在于，黑洞是不发光的，那么怎么给黑洞拍照呢？

图：这次观测银河系中心黑洞的事件视界望远镜由8个射电望远镜或阵列组成

为什么能拍到黑洞？

黑洞本身虽然不会发光，但因为其具有极强的引力，所以会吸引周边的星际物质，在被吞噬之前围绕着它旋转，并一直闪耀着直到落入事件视界——这种“兔子只吃窝边草”的行为使得黑洞看起来似乎在发光。从物理上来说，这些星际物质在被黑洞吸积的过程中会旋转加速，而经典的电磁理论告诉我们加速的电荷是会发光的。所以，在地球上的科学家可以通过观测这些吸积物质发的光，从而间接观测黑洞的轮廓——从这个意义上来说，事件视界望远镜能看到的光辐射其实不是黑洞本身发出来的，而是黑洞吸积的物质发出来的。

并且，黑洞吸积的时候不但发出可见光，也发出X射线与射电信号。其中射电信号的波长一般在几毫米到几厘米之间，因为它的波长比星际尘埃的尺寸要大，所以能够绕过星际尘埃一直传播到我们地球。而可见光则很容易被星际尘埃阻挡。

在地球上还存在很厚的大气层，这使得X射线不能穿透大气层到达地面，所以所有的X射线波段的天文望远镜都是安装在外太空的卫星上。而射电信号却可以穿过大气层而在地面上进行观测。

这次拍摄有什么意义？

由于目前地球上射电望远镜的分布还很稀疏，这次拍摄黑洞只用到8台射电望远镜，所以拍摄到的图片的有效像素点还不够多。但不管怎样，这是人类历史上第一次直接拍摄到黑洞图像，其科学价值可以与引力波的直接探测相媲美，具有划时代的意义。

而且此次拍摄，可以让科学家在黑洞边缘这样引力极强的环境下验证广义相对论。

1973年，霍金等人提出了黑洞无毛定理。根据这一定理，任意被视界包裹的黑洞都可以被三个物理量完整地描述：质量、自旋和电荷。换言之，任意两个黑洞，只要质量、自旋和电荷都相等，那么这两个黑洞应该是完全一样的，就像两个电子一样是不可区分的。根据该定理的描述，黑洞是没有“毛发”的，没有任何几何上的不规则性或其他可区分的性质。

如果无毛定理是错的（换言之，如果拍到黑洞的照片是不规则的），广义相对论至少需要得到修正，因为其理论基础就是广义相对论，并且对这一定理的数学证明没有留下任何回旋的余地。

最初考虑利用LBI对黑洞进行成像观测的时候，科学家认为可以利用黑洞“阴影”的形状及尺寸（假如它是不规则的）来黑洞的自转速度及其自转轴的方向。然而，数值模拟却给了科学家们一个意外：在模拟中，无论如何改变黑洞的自转速度以及虚拟观测者的位置，黑洞的“阴影”总是呈现为近似圆形，并且其尺寸大约为视界半径的5倍。——由于某一幸运的巧合，或者有某一尚未被发现的深层次物理规律，不管如何改变模型中的参数，黑洞“阴影”的大小和形状都保持不变。

这一巧合对于验证爱因斯坦的理论是极有利的，因为该结论仅在相对论成立的前提下出现（见下图）。而此次对M87星系中心黑洞的观测结果显示，其“阴影”的大小或形状与我们的预言相吻合，这进一步印证了无毛定理——进而也验证了广义相对论。

图：广义相对论推测的黑洞“阴影”形状，比较规则

另外，本次拍摄产生了大量的数据，但如何处理与存储、运输这些数据却成为一个大问题。而随着诸多如事件视界望远镜这样的高性能的大型科学装置的建立，如何对从探测器获取的海量数据进行集中处理是一个棘手问题。用笨重、昂贵、低效的硬盘拷贝数据费时费力，因此这类研究会促进云数据、 云存储在未来大科学装置中的运用。

最后，从产业角度来说，天文仪器与观测技术的发展也会反过来激励和带动无线电、物联网、计算机、精密机械等众多领域的发展，这对提升社会的科技与工业基础构架具有重大意义——在这方面一个简单的例子就是wifi的出现极大促进了移动互联网的发展，而wifi与射电天文学的发展有密切的关系。所以，在这个意义上，人类第一次看到了黑洞的照片，虽然表面上看似乎是纯科学，但也许在不久的将来也能引起一场新的产业革命。