【宇宙科普】天文学家捕获首张黑洞照片 中国天文学家参与全球对遥远M87星系中心超大黑洞的颠覆性观测
来源：科学网
作者：丁佳
事件视界望远镜合作组织提供
4月10日，通过协调召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）宣布已经成功获得了超大黑洞的第一个直接视觉证据。EHT是一个通过国际合作而实现的、由八个地面射电望远镜组成的观测阵列，主要旨在通过形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜来捕捉黑洞的图像。
《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。
EHT把地球上的望远镜“组合”起来形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。百年之前，爱因斯坦广义相对论得到了首次试验验证。如今，作为多年国际合作的结果，EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新手段。
“我们捕获到了黑洞的首张照片”，来自天体物理中心|哈佛大学及史密松宁学会的EHT项目主任Sheperd S. Doeleman 说,“这是一项由200多位科研人员组成的团队完成的非凡的科研成果。”
黑洞是一种被极度压缩的宇宙天体，在一个很小的区域内包含着令人难以置信的质量。这种天体的存在以极端的方式影响着周围的环境，让时空弯曲，并将周围的气体吸进来。在此过程中，气体的引力能转化成热能，因此气体的温度变得很高，会发出强烈的辐射。
“如此一来，黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，我们预期黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域。这正是爱因斯坦广义相对论所预言的，可我们以前从未见过。”EHT科学委员会主席、来自荷兰拉德堡德大学的Heino Falcke解释。“这个暗影的形成，源于光线的引力弯曲和黑洞视界对光子的捕获。暗影揭示了黑洞这类迷人天体的很多本质，也使得我们能够测量M87中心黑洞的巨大质量。”
多次独立的EHT观测通过多个校准以及不同的成像方法均揭示了一个环状的结构及其中心的暗弱区域，即黑洞阴影。
“一旦我们成功对黑洞阴影成像，就可以将观测结果与理论预言相比较，检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是，我们所观测到图像的许多特征与理论预言相一致”，EHT董事会成员、东亚天文台台长Paul Ho评论道，“这使得我们对观测的理论解释，包括对黑洞质量的测量，都充满信心。”
创建EHT是一项艰巨的挑战，需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜来组成全球网络，而这些望远镜分布在各种具有挑战性的高海拔地区，包括夏威夷和墨西哥的火山、亚利桑那州的山脉、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠以及南极点。
EHT观测使用了甚长基线干涉测量（VLBI）技术，观测波段是1.3毫米。世界各地的射电望远镜同步观测，同时利用地球自转，形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜，达到的分辨率约20微角秒，足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读纽约的报纸。
参与此次观测的望远镜包括ALMA、APEX、IRAM 30米望远镜、James Clerk Maxwell望远镜、大毫米波望远镜（LMT）、亚毫米波阵（SMA）、亚毫米波望远镜（SMT）和南极望远镜（SPT）。马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台的专用超级计算机负责了对原始观测数据的互相关工作。
EHT 的建设和今天宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。这与来自世界各地的研究人员的密切合作是分不开的，是全球团队合作的典范。13个合作机构共同创建了EHT，使用了既有的基础设施并获得了各种机构的支持。主要资金由美国国家科学基金会（NSF）、欧盟欧洲研究理事会（ERC）和东亚资助机构提供。
这一激动人心的成果受到了中国科学院天文大科学中心（CAMS）的支持，CAMS由中国科学院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立。
“对M87 中心黑洞的顺利成像绝不是EHT国际合作的终点站，”上海天文台台长沈志强研究员说。“我们期望也相信在不久的将来EHT会有更多令人兴奋的结果。”
“我们已经取得了上一代人认为不可能做到的事情”，Doeleman总结到。“技术的突破、世界上最好的射电天文台之间的合作、创新的算法都汇聚到一起，打开了一个关于黑洞和事件视界的全新窗口。”
【延伸阅读】
四大洲、八个观测点、超过两百名科学家，联合观测捕获影像
人类首次“看到”黑洞正面照
本报记者吴月辉
来源：《人民日报》
 首张黑洞照片。
事件视界望远镜合作组织供图 |
核心阅读
黑洞是广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作事件视界。
四大洲、8个观测点组成虚拟望远镜网络，让黑洞首次有了一张“正面照”。
近年来，中国参与国际合作的广度和深度不断加大，在吸收世界创新养分的同时，也不断贡献中国智慧。
大量天文观测数据已证实，浩瀚的宇宙当中，无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人类却从未直接“看”到过黑洞真容。
2017年4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。最终，科学家们成功拍摄到了黑洞的第一张“照片”。北京时间4月10日21时，这张“大片”在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。
4年前，两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到，成为科学界的一个里程碑事件，人类开始“听”到黑洞。这一次，人类终于眼见为实。
有许多间接证据证明黑洞的存在，但科学家从未直接“看”到
黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。
黑洞怎么形成的？像宇宙万物一样，恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时，内核会急剧塌缩，所有物质快速向着一个点坍缩，最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点，并形成一个强大的力场漩涡，扭曲周围时空，成为黑洞。
根据质量，天文学家将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍到上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。根据理论推算，银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而，因为黑洞自身不发射和反射电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到它。
既然无法“看见”，怎么知道它存在呢？天文学家们主要是通过各种间接的证据。一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质，也就是“吃东西”时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。到目前为止，通过间接的观测，科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞，但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。
中国科学院上海天文台研究员沈志强说：“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗，它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外，银河系还有很多恒星级黑洞。”
黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系？又和我们人类有什么关系？为了更准确清晰地解答这些问题，科学家们想直接“看”到黑洞。
口径如地球大小的虚拟望远镜，灵敏度和分辨本领前所未有
广义相对论预言，虽然黑洞本身不发光，但因为黑洞的存在，周围时空弯曲，气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中，引力能转化为光和热，因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，事件视界看起来就像阴影，阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。
中国科学院上海天文台研究员路如森说：“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。这就必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而保证看得到和看得清。”
但满足上述所有条件，望远镜的口径需要像地球大小。然而，目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米，远远不够用。怎么解决？
一个难以想象的大科学计划诞生了：用分布全球的8个观测点，组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜，其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。条件苛刻的观测点，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。
全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”（EHT）这一重大国际合作计划，决定利用甚长基线干涉测量技术。沈志强说：“就是利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测，最后将数据进行相关性分析之后合并，这一技术在射电波段已相当成熟。”
被拍照的黑洞质量超大，但因距离遥远，就像在地球上看放在月球表面的橙子
在组建大型虚拟望远镜的同时，科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。
黑洞阴影和周围环绕的新月般光环非常小。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞照片，必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。
科学家们甄选之后，决定将近邻的两个黑洞作为主要目标：一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大质量黑洞。
沈志强说：“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也意味着质量越大，其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大，它们的事件视界在地球上看起来也是最大的，可以说是目前最优的成像候选体。”
尽管被选择的两个黑洞已是最优成像候选体，但要清晰为它拍照，难度还是极其大。Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳，所对应的视界面尺寸约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。然而，地球与Sgr A*相距2.5万光年之遥。“这就意味着，它巨大的视界面在我们看来，大概只有针尖那么小，就像我们站在地球上去观看一个放在月球表面的橙子。”沈志强说。
M87中心黑洞的质量更为巨大，达到了60亿个太阳质量。尽管M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的事件视界对科学家们而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至还要稍微大一点。
要想看清楚两个黑洞事件视界的细节，事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。要多高呢？路如森说：“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。”但也别以为，只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，在合适的波段进行观测至关重要。
此前的一系列研究表明，观测黑洞事件视界“阴影”的最佳波段约为1毫米。路如森说，这是因为气体在这个波段的辐射最明亮，而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。在这种情况下，望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离，而非单个望远镜口径的大小。
为了增加空间分辨率，以看清更为细小的区域，科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。沈志强说：“这样设置是为了要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞，从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。”
每年只有约10天观测期，照片问世前经过超级计算机长达两年的“冲洗”
四大洲8个观测点组成的虚拟望远镜网络，让黑洞首次有了一张“正面照”。
留给科学家们的观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天时间。除了观测时间上的限制，拍摄对天气条件要求也极为苛刻。因为大气中的水对这一观测波段的影响极大，会影响射电波的强度，这意味着降水会干扰观测，要想事件视界望远镜顺利观测，需要所有望远镜所在地的天气情况都非常好。按照要求，计划选择的8个望远镜所在之处均海拔较高，降雨量极少，全部晴天的概率非常高。
此外，要成像成功还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。北京时间2017年4月4日，事件视界望远镜启动拍摄，将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。观测期间，每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号，这些数据此后被集成用于获得事件视界的图像。
沈志强说：“为了确保信号的稳定性，事件视界望远镜利用原子钟来确保望远镜收集并记录信号在时间上同步。”
拍照难，“洗照片”更不容易。射电望远镜不能直接“看到”黑洞，但它们将收集大量关于黑洞的数据信息，用数据向科学家们描述出黑洞的样子。在观测结束之后，各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心（分别位于美国麻省的Haystack天文台和德国波恩的马普射电所）。在那里，超级计算机通过回放硬盘记录的数据，在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析，从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。此后，经过长达两年的“冲洗”，今年4月10日，人类历史上首张黑洞照片终于问世。
近年来，中国参与国际合作的广度和深度不断加大，在吸收世界创新养分的同时，也不断贡献中国智慧。
【延伸阅读】
特稿：人类首张黑洞照片的三大看点
来源：新华网
这是人类史上首张黑洞照片。北京时间4月10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。 新华社发（事件视界望远镜项目组供图）
新华社北京4月10日电 特稿：人类首张黑洞照片的三大看点
新华社记者
人类获得的首张黑洞照片10日面世。这一重大科学成果由全球多国科研人员历经数年合作完成。那么，这张照片在科学上有多重要？拍到黑洞照片有多难？中国又发挥了什么作用？
“具有历史性意义”
两百多年前，就有科研人员设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论，可用于计算出这种天体的若干性质。但黑洞作为一个科学术语，直到20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。
几十年来，黑洞引发人们无数遐想，但没有人知道它的真正模样。正因为这个，第一张黑洞照片才备受期待，被誉为“非凡的科研成果”，是天文学上的“重要里程碑”，“具有历史性意义”。
给黑洞拍照的“事件视界望远镜”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克告诉新华社记者，黑洞涉及人类对宇宙的根本了解，“我们的宇宙中有两大理论，爱因斯坦的相对论描述了宏观，量子力学描述了微观，但是在黑洞的边缘，相对论与量子力学无法协调，在那里可能会发现新的东西”。
美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马罗内认为，黑洞之所以重要，是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质，然后又将其中一部分以接近光速向外喷射，影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息，也有助于了解黑洞喷流的形成过程。
1919年，人们在非洲和南美出现日食时观测到光线的弯曲，从而验证了广义相对论相关预言的正确性。百年后发布的黑洞照片，又一次支持广义相对论。不由让人想起被多次重复的那句话：爱因斯坦又对了。
“上一代人不可能做到的事”
由于光线无法逃出黑洞，科研人员要拍的实际上是黑洞产生的“阴影”以及周围的吸积盘等，从而描绘出黑洞的轮廓。此次拍照的一个目标是代号为M87的超巨椭圆星系中心黑洞，它的质量是太阳的65亿倍，但离我们实在太远，达到5500万光年。
要拍摄这么远的对象，科学家模拟出口径像地球一样大的望远镜，这就是“事件视界望远镜”，它集合了分布在全球各地的多个射电望远镜。从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原，从西班牙的高山到夏威夷的海岛，8个射电望远镜通过“甚长基线干涉测量技术”联合起来，成功拍到人类历史上第一张黑洞照片。
谈及给黑洞拍照的难度，项目协作委员会主席、德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯打比方说：“如果地球是平的，那使用这一技术可以从波恩看清纽约街头报纸上的字。”
经大约两年的数据处理及理论分析，照片才成功“冲洗”出来。照片展示了一个中心黑色的明亮环状结构，有点像甜甜圈，也与此前科幻电影《星际穿越》科学顾问根据相对论等模拟的黑洞图片相似。“事件视界望远镜”项目专家认为，与理论预测一致，这也证明拍到的就是黑洞。
“我们已经完成了上一代人认为不可能做到的事情，”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心的谢泼德·杜勒曼总结说，“技术的突破、世界上最好的射电望远镜之间的合作、创新的算法都汇聚到一起，打开了一个了解黑洞的全新窗口。”
此外，此次合作汇集了全球超过200名研究人员的共同努力，项目协调并非易事。项目科学委员会主席法尔克说：“不同文化、不同机构、不同国家和大洲（的科研人员）走到一起合作并不容易，但如果有共同愿景的驱动，有首次看到黑洞的共同梦想，合作就变得可能。”
“期待中国成为重要一员”
在“事件视界望远镜”项目中，中国科学院天文大科学研究中心（国家天文台、紫金山天文台和上海天文台）参与了位于美国夏威夷的东亚JCMT望远镜对黑洞的观测，多名中国学者是此次黑洞照片相关论文的作者。
不过，中国天文学界清醒地认识到目前的“参与者”角色。中国科学院国家天文台副台长薛随建指出，这次“算是重在参与”，但为在相关科研领域“机制性参与国际合作组织、逐渐发挥越来越重要的作用，做出了良好的示范”。
毫无疑问，“在中国科学界参与的三十米望远镜（TMT）等其他重大国际项目中，那些可预期和不可预期的重大发现将更加激动人心，”薛随建在接受新华社记者采访时说。
太空可能是中国未来能发挥更多作用的地方。法尔克说，今后要拍摄更好的黑洞照片，就需要比地球还大的望远镜，这就需要走向太空，“中国在射电干涉测量技术和太空探索方面的能力正快速增长，我期待未来中国能成为这个领域的重要一员”。
回顾与国际同行共同拍出人类首张黑洞照片的经历，中国科学院上海天文台研究员路如森说：“作为长期深度参与‘事件视界望远镜’国际合作的中国研究人员，我觉得这张黑洞照片是科学共同体的努力结果。科学对人类发展至关重要，人类的科学共同体也是人类命运共同体的重要组成部分。”（执笔记者：黄堃；参与记者：刘芳、张毅荣、周舟、郭爽、王琳琳）
【延伸阅读】
人类史上首张黑洞照片公布
来源： 新京报
黑洞研究史
●1798年
法国数学家、物理学家拉普拉斯根据牛顿力学计算，一个直径为太阳250倍而密度与地球一样大的天体，其引力足以捕获其发出的光线而成为一个暗天体，也称为“暗星”。
●1915年
爱因斯坦广义相对论诞生，预言存在黑洞这样一种天体。
●1916年
德国天文学家史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径，如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小，那么它就会变成一个黑洞。比如，太阳的史瓦西半径是3000米。
●1939年
美籍犹太裔物理学家奥本海默根据广义相对论证明，当天体的质量大于临界质量时，引力坍塌后不可能达到任何的稳态，只能形成黑洞。
●1970年
美国的“自由”号人造卫星发现位于天鹅座X-1上一个比太阳重30多倍的巨大星球，被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞，这是人类发现的第一个黑洞。
●1974年
英国物理学家霍金证明黑洞具有与其温度相对应的热辐射，称为“黑洞辐射”。黑洞的质量越大，温度越低，辐射过程就越慢。
人类首张黑洞照片“冲洗”完成，这一神秘天体终于被人类看到了真容。4月10日晚，数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜（EHT）”项目在全球多地同时召开新闻发布会，发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。
完美验证爱因斯坦相对论预言
中国科学院上海天文台研究员袁峰在发布会现场介绍，照片上的黑洞离地球有5500万光年，质量大概是太阳的65亿倍。照片上是它5500万年以前的样子，黑洞周围的空间是弯曲的。黑洞本身是不可见的，把黑洞放到放光的背景里，看到的照片就是这样。
据袁峰介绍，照片中一部分是中心区域不太发光的阴影，另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。“我们最先看到的是M87星系，随着视角拉近，我们看到了黑洞喷流的结构，最后对黑洞进行了成像。大家想知道为什么黑洞会形成阴影，黑洞会形成一个环状吸积盘，与吸积盘垂直的方向有一个喷流结构。吸积流快速旋转，大概两天就能绕着M87转一周，随着物质的吸积，接近黑洞的时候，物质会变得非常热，发出非常强的辐射，就会被我们看见。由于一部分光子被黑洞吞噬，就会形成阴影。”袁峰解释，光就是从吸积盘上发出的，而黑色的阴影要比黑洞本身大几倍。
袁峰说，图片中亮的区域和暗的区域，对比度超过10倍。周围有个圆环结构，十分接近圆形，是因为引力透镜造成的。另外南北的不对称性很明显，南边亮，北边暗。这是因为多普勒增量效应，南边物质朝我们运动，就会变亮；北边物质远离我们，就会变暗。
“现在看到的亮环就是光线扭曲以后得到的结构，如果不扭曲，是看不到这样的图像的。理论和观测是互相促进的。”袁峰表示，目前来看，这张照片验证了爱因斯坦的广义相对论，后续的观测将解决一些还没搞清楚的问题。
他解释，黑洞的视界并不是发光区域，这个黑洞的视界在阴影里，比阴影面积要小一些。具体多大，广义相对论做出了详细的预测。
袁峰具体解释，人类通过射电望远镜得到这样一张照片，结合爱因斯坦广义相对论和黑洞吸积理论进行预测，把观测到的图像和预测的图像对比，发现吻合得非常好，完美地验证了爱因斯坦的广义相对论。
现场科学家介绍，能够得到这样一个图像，需要有地球直径大小的望远镜，为了得到这样一个望远镜，要求把地面上能够针对黑洞成像的望远镜组合起来。望远镜越多，成像质量越好，以后随着更多望远镜加入观测网络，黑洞成像质量会更好，对爱因斯坦理论验证会更精确。
我国天琴计划将搜寻黑洞
记者了解到，包括中国科学院上海天文台在内的一些中国机构参与观测和数据处理，中科院国家天文台副台长薛随建说，此次参与为中国今后在相关国际合作中发挥更重要作用做了良好示范。
华中科技大学物理学院的科学家吴庆文教授也参与其中，他表示，他和研究生冯建超博士主要参与了理论分析方面的工作。在过去几年里进行了系列研究，他们对黑洞吞噬物质过程、黑洞自旋等重要信息做了较好限定，提出这次观测的黑洞图像应该是来自黑洞吞噬的物质，而非相对论性喷流。此外，还发现这个巨型黑洞很有可能是高速自转的。这次拍摄的黑洞照片，较好支持了他们的研究结果。
吴庆文说，目前由我国主导的天琴空间引力波探测器计划，预计在2030-2035年间发射，在10万公里高度的地球轨道上部署三颗绕地球运转的卫星，组成臂长17万公里的等边三角形，形成空间引力波探测器。天琴引力波探测器将可以探测到宇宙诞生初期第一代恒星或气体云塌缩形成的双大黑洞合并产生的引力波，这将帮助我们理解宇宙早期种子黑洞、黑洞的增长历史以及星系演化等重大天文与物理学问题。因此，天琴空间引力波计划必将成为下一个20年探测宇宙黑洞的利器，特别是可能会搜寻到大量的中等质量黑洞。
释疑1
在此之前如何确认黑洞的存在？
各种间接证据均证明黑洞确实存在
中科院国家天文台研究员苟利军表示，在这次拍照前，天文学家们通过各种间接证据表明，黑洞确实存在。
比如，恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在，也可以根据黑洞吸积物质发出的光来判断黑洞的存在。再就是通过看到黑洞成长的过程发现黑洞。
中科院国家天文台研究员刘继峰领导的国际团队在世界上首次成功测量到X射线极亮天体的黑洞质量，研究成果2013年11月28日发表在国际权威杂志《自然》上。他们在3个月的时间跨度上对漩涡星系中X射线极亮源M101ULX-1进行了研究，并确认其中心天体为一个质量可与恒星比拟的黑洞。这个黑洞加伴星形成的黑洞双星系统位于2200万光年之外，是人类迄今发现的距离地球最遥远的黑洞双星。
释疑2
“事件视界望远镜”是什么？
8座望远镜组成超大“虚拟”望远镜
黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，并在周围形成一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”，也叫“视界面”。
现在望远镜的半径越造越大，我国的FAST已经有500米口径，已经发现了很多脉冲星。但是，要想观测遥远的黑洞，依靠目前任何单个望远镜都远远不够。2017年的4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络。苟利军说，在2017年8个不同的望远镜进行观测的基础上，2019年又加了一台望远镜。
“事件视界望远镜”就是利用“甚长基线干涉技术（VLBI）”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜。
释疑3
光都逃不出来，如何拍黑洞？
周围气体产生的光线和辐射可观测
苟利军解释，“连光都逃不出来”指的是黑洞里面的情况，这次拍摄的是黑洞周围尚未掉入黑洞的气体所产生的光线和辐射。
“在电影《星际穿越》中，在黑洞外部亮的圆环的衬托下，中间有黑色的区域，我们将这块区域称为‘黑洞的阴影’。”苟利军说。
《星际穿越》中黑洞巨大的吸积盘吸引了很多观众，被称为最接近黑洞的想象。不过，苟利军表示，因为之前谁都没有“看”到黑洞的照片，之前的图像都是想象和推测出来的。“广义相对论在很多情形下都被验证是正确的，如果广义相对论是正确的，那么我们看到的黑洞应该就是这样。”
释疑4
给“黑洞”拍照难在哪？
观测窗口期每年大约只有10天
要保证分布在全球各地的8个望远镜都能看到这两个黑洞，观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天，2017年只有4月5日到4月14日合适。
苟利军说，这些望远镜都是在亚毫米波波段，通常需要在海拔比较高的地方来减少大气中水汽对于亚毫米光子的影响。比如位于智利的ALMA望远镜的海拔就有5000多米。据了解，这座望远镜耗资140亿美元，灵敏度是目前单阵列当中最高的。
释疑5
“冲洗”图像为何耗费两年？
庞大数据需要计算机进行复杂的处理
苟利军说，虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像，而是给出了许多数据，必须经历复杂的计算机处理过程。
有8个不同的望远镜，每一个收到的数据量都非常大，加到一起差不多有10PB。现在一般的笔记本电脑的硬盘是1TB，这些望远镜为此次观测接收的数据可以装满1万多个笔记本。
此外，在2017年4月的联合观测以后，研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。苟利军说，科学家需要对望远镜接受的光子进行定标，确保不同望远镜接收到的光子是来自于同一时刻，最后才能将所有图像进行叠加。其中还有些缺失或模糊的部分，需要科学家们拼图。
光既有波动性又有粒子性，观测到的每一时刻波动性非常强，所以需要对每一时刻接收的相位进行校对。苟利军作了一个形象的比喻，“我们拍照片的时候，如果手晃动，相片会模糊。这跟相机的工作模式有关系，相机的曝光时间要非常短，比手晃动的速度快很多，才能拍清楚。这就是为何要用高速摄像机拍摄运动员奔跑的形象，如果用普通照相机拍摄，会得到一个模糊的照片。”
释疑6
这张照片在科学上有多重要？
一些悬而未决的问题有了解决的可能
苟利军说，因为是第一次看到黑洞，从科学的角度可以提供很多信息，帮助我们了解气体在黑洞内区真正的运动状态。
“之前根据研究，我们知道了黑洞周边有一些很壮观的现象，比如喷流等，还知道了黑洞的质量、转动等性质。但是，之前没有很好的方式去了解，虽然有一些方法，但可能有误差，也不知道是不是准确。因为不同的模型得到的结果往往偏差很大，相差几倍在天文学中是很正常的。”
有了这幅照片，科学中一些与黑洞有关的悬而未决的问题，就有了解决的可能。（记者李玉坤王俊）
【延伸阅读】
终于一睹黑洞“芳容” ：人类史上首张黑洞照片面世
来源：环球网
王楠
【环球网科技综合报道】4月10日晚间9点，历时2年多，黑洞终于揭开了神秘的面纱。比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿等全球六地于今天晚上同步召开全球新闻发布会，发布了人类史上首张黑洞照片。往昔神秘莫测，一直只能被文字定义的黑洞，终于通过照片的形式展现在了世人的面前。
照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞，其质量是太阳的65亿倍，距离地球大约5500万光年。照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构，看上去有点像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“阴影”，明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。
作为照片的发布方，事件视界望远镜(EHT)通过“甚长基线干涉技术”和全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜，用于黑洞探测，也是这一望远镜，将宇宙“黑洞”变成了彩色照片。
专家称，人类首张黑洞照片的问世，将对研究黑洞具有重要意义。
什么是黑洞？
早在1915年，爱因斯坦发表广义相对论，最先预言了黑洞的存在。理论上，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体，它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。
而黑洞(Black hole)这个名词，是1968年由美国天文学家惠勒在一个报告里面提出的。宇宙中，根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞(几十倍至上百倍太阳质量)、超大质量黑洞(几百万倍太阳质量以上)和中等质量黑洞(介于两者之间)。
有关黑洞的概念，早就有科学家通过数学公式推导出来了。
比如，1796年法国科学家拉普拉斯就在著作里写了一段话：假如有一个恒星，密度跟地球一样，而直径比太阳大250倍，那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的，但是从远方看这个恒星，它却是绝对黑暗的，你不可能看到它。
关于黑洞，法国天文学家卢米涅也说过一段话，他说：“黑洞是恒星死亡后的一种残骸，它是引力收缩的极点，极端到近乎荒唐(指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释)。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后，会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”
确认黑洞的存在
在EHT项目启动前，天文学家们是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在，主要有三类代表性证据：一是恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，科学家可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在;二是根据黑洞吸积物质(相当于“吃东西”)发出的光来判断黑洞的存在;三是通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。
人类发现的第一个强有力的黑洞候选天体是1964年发现的天鹅座X-1，距离地球约6000光年。天鹅座X-1有一个正在被它吃掉的“舞伴”，但伴星的质量却比它本身更加大，引发了广泛的争议，其身份长期悬而不决，霍金都为此打过赌(并输掉了)。科学家们后来测得天鹅座X-1的质量约为14.8个太阳，视界半径300公里，应该是一个“胃口”非常小的黑洞。
目前，科学家们更为关注的一类黑洞候选系统是软X射线瞬变源。这类系统包含一个小质量的舞伴，通常处于宁静态，但会出现间歇性的X射线爆发现象，间隔时间从数月到数十年不等。间歇性爆发的时候，就是探测黑洞的好时机。
根据理论计算，银河系中应该存在上千万个恒星量级的黑洞，现在得到确认的只有20多个。
黑洞是什么样的存在
受限于科技的发展，100多年来，人类只知道黑洞的存在，而无法摸索到黑洞的具体形态。虽然科学家们看不到黑洞的本体，但可以一直追溯到光子消失的“视界”，这是我们能“看到”的极限。
黑洞周围的确会存在一些发光的现象，比如黑洞在吃掉周围的恒星时，会将恒星的气体撕扯到身边，形成一个旋转的吸积盘。黑洞有时候也会“打嗝”，一部分吸积气体会沿转动方向被抛射出去，形成喷流。
吸积盘和喷流都会因气体摩擦而产生明亮的光线，以及其他频段的辐射。
1978年，卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。但这不是一张真正的照片，而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。
利用电脑模拟产生的数据，卢米涅用钢笔和印度墨水在底片上描绘黑洞，整个过程就像是一台人体打印机。这幅模糊的图像展示了观察者靠得足够近时看到的一个扁平盘内物质坠入黑洞的景象。
卢米涅绘出黑洞事件视界的第一幅图像40余年后，人类将首次目睹黑洞的“真容”。
历时2年多 “黑洞”照片首秀
“事件视界望远镜”(EHT)这个虚拟的大望远镜由8台望远镜组成。分别是：南极望远镜(South Pole Telescope);位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵(Atacama Large Millimeter Array，ALMA);位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望远镜(Large Millimeter Telescope);位于美国亚利桑那州的(Submillimeter Telescope);位于夏威夷的麦克斯韦望远镜(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT);位于夏威夷的亚毫米波望远镜(Submillimeter Array);位于西班牙的毫米波射电天文所的30米毫米波望远镜。它们在2017年4月对两个黑洞目标进行了联合观测。
从2018年起，又有格陵兰岛望远镜、位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续的研究和校准工作。
全球一共60多个研究机构参与了研究，其中包括中国科学院下属的上海天文台、云南天文台等机构，以及华中科技大学、南京大学、中山大学、北京大学、中国科学院大学、台湾大学等高校。这也是中国上海和台北两地联合举办新闻发布会的原因。
黑洞照片“拍”起来难，“洗”出来也难，这也是从拍摄到洗出照片用了2年多的原因。首先，要选择合适的拍照对象——近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。其次，共同合作组成一个超级大望远镜——视界望远镜(EHT)。再次，必须在合适的观测波段——毫米波。
面对记录的庞大数据量，进行复杂的数据后期处理和分析，获取最终的黑洞图像。2017年4月份的EHT观测中每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s，8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据。此外，在2017年4月的联合观测以后，研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。
科学家们少年般的兴奋
而此次的黑洞“首秀”，与其说这是一张照片，不如说是一次实景“描绘”。
来自8个观测点的天文望远镜将观测到的电磁波集中“反馈”，利用对这些电磁波信号的分析，科学家们可以获得和黑洞附近高温物质分布相关的一些物理量。再结合多年来不断完善的黑洞理论模型，将模拟量和观测量比对，得到黑洞成像。
尽管图像是根据比对形成，但是天文和物理学家们依然表达了少年般的兴奋度——并不是只有普通民众乐于见到直观影像。
“我为即将看到这一图像感到非常开心!”芝加哥大学教授丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)表示。“尽管我知道里面采用了数学运算，相关理论也经过了彻底测试，但这仍然是关于一个真实物体的近距离图片。太酷了。”
耶鲁大学的天体物理学家普里亚瓦达·纳塔拉哈恩也表示：“能够如此近距离接触黑洞实在令人兴奋。”加州大学圣塔芭芭拉分校研究黑洞的天体物理学家蒂莫西·布兰德则兴奋地说：“仅仅是能够看到它就会让人觉得太棒了。我们会在科学方面了解一些东西，而且随着时间推移知道得会越来越多。只看到这些图像都会觉得非常酷。”
“一旦我们成功对黑洞阴影成像，就可以将观测结果与理论预言相比较，检验考虑了时空弯曲、超高温及超强磁场等物理性质在内的大量模型。令人惊讶的是，我们所观测到图像的许多特征与理论预言相匹配”，EHT 董事会成员贺曾朴评论道，“这使得我们对观测的理论解释，包括对黑洞质量的测量，都充满信心。”
专家连线：
北京天文馆馆长朱进
1、黑洞到底是什么？它是如何形成的呢？
朱进：我们说黑洞主要指的是一类密度巨大的天体，它表面的逃逸速度已经超越了光速，所以任何物质包括光子都不可能从黑洞中出来。据目前所知银河系的中心就是一个超大质量黑洞，它是一个400万倍太阳质量的黑洞，我们由此可以认为每个星系的中心都是一个黑洞，此外，大质量恒星演化到晚期也会坍缩成一个黑洞。
2、黑洞是黑色的吗？
朱进：实际上说的黑色指的是连光也无法逃逸出去，所以说它是黑色的。
3、黑洞真的会像人们口中说的那样吞噬周围的一切吗？
朱进：所谓的吞噬一切其实就是一个引力效果，因为质量很大所以引力很强。但是也不一定就会“掉”进去，周围的物体仍然会绕着黑洞转动，但是由于黑洞引力的原因，会产生黑洞潮汐力，这个潮汐力对周边的物体产生影响，随着时间的演化会被吸入黑洞。
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