史上第一張黑洞來了！這件事為什麼那麼重要？
人類史上第一張黑洞照片來了。
4 月 10 日 21 點，「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）項目在全球六地布魯塞爾、聖地亞哥、上海、台北、東京、和華盛頓同時召開了發佈會，正式公佈了這項劃時代的重大成果。
此次項目由全球多個國家和地區的 200 多位科研人員組成，是一個以觀測銀河系中央特大質量黑洞為主要目標的計劃，觀測核心就是銀河系中心黑洞人馬座 A* 和 M87 橢圓星系中心黑洞，此次發佈的，就是後者的黑洞圖像。
▲ 上海新聞發佈會現場
從照片可以看出，黑洞就像一個黑色球體，中心闇弱部分為「黑洞陰影」，而周圍的環狀不對稱結構是由於強引力透鏡效應和相對論性射束（beaming）效應造成的。
因為黑洞不停在旋轉，讓它的圖片看起來就像是一個不對稱的發光漩渦。
而説到黑洞，你腦海裏可能出現的就是「幽暗不見底」和「萬物皆可吸」。
首先，黑洞不是洞，是天體。作為最神祕的預言宇宙天體之一，黑洞質量極大密度極高，周圍會產生巨大的引力場，它附近所有物質都難逃一吸，連宇宙中傳播速度最快的光，也無法在黑洞中完成它的出色射程。
▲ 黑洞的藝術構想圖
而黑洞周圍引力巨大的區域，就被稱為「事件視界」，只要跨過這個邊界，一切物理定律在此都會失效，「事件視界望遠鏡」拍攝的就是兩個黑洞的這一部分。
1915 年，愛因斯坦在廣義相對論中最先預言了「黑洞」，1968 年，美國天文學家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名詞，雖然之後也出現過一些黑洞的間接影像可以證明它身處星河之中，但沒人見過黑洞的真正樣貌。
▲ 黑洞圖像的的模擬、測量、和重建，圖片來自：Katie Bouman and Jason Dexter
100 多年後的今天，人類第一次能夠直接確認黑洞的存在。
同時，科學家也表示，該圖像的特徵和愛因斯坦的廣義相對論完全一致，進一步驗證了它的正確性。
多麼幸運，我們成為了第一批目睹黑洞真容的人類，也可能是宇宙中第一批親眼看見黑洞的碳基生物。
黑洞照片是怎麼拍出來的？
從洪荒時代起，人類就從未停止過對頭頂神祕星空的眺望。
2017 年 4 月，「事件視界望遠鏡」開始捕捉黑洞「事件視界」的清晰圖像。這次「事件視界望遠鏡」的觀測行動，可以説是史上最難的星際觀測項目之一。
▲ 圖片來自：美國哈佛 – 史密森天體物理學中心網
首先，人馬座 A* 距離地球 2.6 萬光年之遙，質量約等於 400 萬個太陽，視界半徑約 2400 萬公里，而 M87 中心距離地球 5500 萬光年，約等於 64 億太陽質量。按科學家的説法，單給人馬座 A* 拍照的難度就差不多等於「給月球表面的一個蘋果拍照」。
其次，拍攝技術、拍攝時間、拍攝位置都讓項目研究變得更加舉步維艱。
於是，研究人員決定將分佈在全球各地、橫跨南北半球的 8 個射電望遠鏡聯合起來，組成一個相當於地球最大直徑的大型虛擬望遠鏡進行觀測。
▲事件視界望遠鏡的全球觀測網絡. 圖片來自： Nature
這裏用到的觀測技術，就是「甚長基線干涉測量」（VLBI）。通過這種技術，能將多個望遠鏡結合成一台孔徑更大的望遠鏡，讓距離不再成為限制。兩個射電望遠鏡和一個數據處理中心，就能共同觀測遙遠的類星體以及河外星系。
因為黑洞本身是看不見的，這裏的拍出的圖像，其實是因為黑洞在「吃掉」身邊恆星時，氣體撕扯會產生旋轉的吸積盤，加上部分吸積氣體也會沿轉動方向被拋出去形成噴流，這些氣體摩擦都產生了明亮的光線，再加上其他頻段的輻射，因此能捕捉到這些黑洞的發光現象。
▲黑洞和積吸盤的藝術想像圖 . 圖片來自：Wikipedia
當 8 個射電望遠鏡聯合啟動，VLBI 網將各射電望遠鏡接收到的信號轉化為數字信號記錄在磁盤上，然後通過數據中心處理和分析，就能獲得觀測目標的射電精細結構圖像，最高分辨率可為哈勃空間望遠鏡的數百倍。
這樣，我們就能看清「月球上的蘋果」了。
為達到此次拍攝的極高分辨率，包括中國科學院下屬的天文台機構和高校等全球 13 多個研究機構都參與進來開展研究、校準工作。
而且，不止「拍」照片難，「洗」照片更難。
這不是咔嚓一下就能完成的攝影過程。上面提到，通過 VLBI，要將事件視界望遠鏡的所有觀測數據集合、整理。跨越南北半球的龐大的天文台資料，不能通過網絡傳輸，需要極大儲存容量的硬盤收集並郵寄到研究中心。
一次普通的 5 天觀測，整個陣列就會產生約 7PB 數據（1PB=1000TB=1000000GB），裝滿 1000-2000 個硬盤。
為了防止地球大氣中的水汽阻礙數據接收，還要將觀測站擺在乾燥高地，但常規硬盤無法抵抗低氣壓。墨西哥內格拉火山多頂（海拔 4580 米）的望遠鏡的 32 個常規硬盤裏就有 28 個無法運作，最後只好改裝成氦氣封裝硬盤。
▲ 圖片來自： EHT
同時，計算機進行後台處理和分析海量數據也需要極長時間，各個站點收集的數據都被彙集到美國和德國兩個數據中心，計算機集羣要對數據時間進行合併和分析，缺失或模糊的部分，都需要科學家進行拼圖完善。
單生產出這張黑洞照片，研究人員就用了 2 年左右時間。
雖然照片看起來依然是一片迷幻的「混沌」（待確認），但這次歷史性的窺探，也是人類史上一塊耀眼的豐碑。
照片的意義，不止讓人類見到黑洞
這次的重大發現，不僅讓我們能接觸到黑洞的真實面貌，更重要的是，幫我們驗證了愛因斯坦廣義相對論和黑洞的物理性質，包括黑洞真實質量、直徑、自轉速度……
中國科學院國家天文台研究員苟利軍説道：
引用黑洞周圍會有很多分流，分流對於整個星系，以及星系演化，都起着非常重要的作用。但我們不是特別清楚它是如何產生的，我們看到黑洞周圍的狀況，能幫我們解決最基礎的科學問題。
▲圖片來自：新華社採訪截圖
這只是一個開始，未來 EHT 還會帶來更多前所未有的科學成果。而這次黑洞的項目成果，無疑讓我們進入了一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野。
▲ 參與 EHT 的中國科學家
EHT 也表示後續還會給更多黑洞進行拍照及研究，人類將能更深入地理解宇宙。
包括與黑洞正好相反的宇宙天體：白洞，它也是一個強引力源，但引力是從內往外，任何物質和光線都無法進入其中。雖然白洞同樣是由理論推導而出的假想天體，但值得注意的是，當黑洞和白洞連接，其中的那條特殊通道就是我們更為熟悉的——蟲洞。
如果有一個宇航員掉入黑洞，被黑洞的潮汐力撕成原子構成的涓涓細流，那它也很有可能在高速自轉的黑洞白洞中進入多維空間隧道，也就是在蟲洞之中，開始一段新的太空旅行。
▲ 圖片來自：《星際穿越》
這也是 2014 年諾蘭經典的《星際穿越》劇本來源，我們通過它首次在熒幕上見到了最接近科學真相的黑洞圖像「卡岡圖雅」。而上面迎接那個宇航員的或許也不是死亡，而是另一片新的宇宙。
一切都在不斷用實踐驗證的途中，人類骨子裏總是沸騰着不安的血液，胸腔裏跳動着我們共同的未來。「生於凡塵，歸於星辰」或許將不再只是想象中的美好結局。
這也讓我們再次意識到：地球不該是人類歸宿的唯一答案。
▲ 圖片來自：《星際穿越》
無論是星際旅行，還是移居火星，在目前地球資源開始一步步走向枯竭的境地下，用環保和技術來延遲地球壽命必不可少，但也許這恰好是個完美的過渡時期，藉此將人類更重要的思維和力量投向羣星璀璨的太空之中。
霍金在晚年時期也對人類的未來憂心忡忡。他認為地球和人類正面臨着嚴峻的內憂外患，除了人工智能和氣候問題將導致人類滅亡地球毀滅，外星人還可能隨時入侵地球……
他曾在 2016 年在劍橋大學的一次演講中表示：
引用為了人類的未來，我們必須進入太空。在不離開這個脆弱的星球的情況下，我不認為我們能活過下一個 1000 年。
雖然就算是黑洞，也可能有死亡的一天。
在霍金的黑洞熱力學中，提出了「黑洞蒸發」的理論。也就是説，在非常遙遠的未來，當宇宙背景輻射温度降到黑洞温度以下，此時黑洞就會向外輻射物質和能量，而黑洞本身則將慢慢消失。
當然了，人類可能根本等不到那一天，畢竟根據霍金的估算，一個質量是太陽 10 倍的黑洞，大概要花 10^{70} 年消失，而宇宙目前的年齡也只有 10^{10} 年。
不過至少現在活在地球上的我們，還能繼續保持熱忱、保持天真，在混雜着希望和絕望的文明裏抗爭相搏，在有限的生命裏探索着人類和宇宙無限的可能性。
雖然渺小，卻也偉大。
資料來源：愛範兒（ifanr）