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北京时间4月10日21: 07，比利时布鲁塞尔和中国上海联合发布了事件视界望远镜的一项重大成果，揭开了黑洞的神秘面纱。中国科学院上海天文台代表中国发布了天文大楼三楼(上海市徐汇区南丹路80号)的第一张黑洞照片。
徐汇上海天文台
中国科学院上海天文台成立于1962年8月，目前包括徐家汇园和佘山科技园，总部设在徐家汇。
徐家汇天文台是上海天文台的前身之一。1872年2月，法国天主教耶稣会在徐家汇(晚明大臣徐光启的故乡)浦西路221号破土动工修建徐家汇天文台。1880年，一座33米高的木塔被建成，塔顶装有伯克利风速表。1901年，在原址(浦西路166号)的西侧又建了一栋三层的新楼。在大楼的中心，有一个40米高的了望塔，上面装有风向风速计。在建筑东侧，有一个装有各种气象仪器的子午观测室，增加了地温和井温的测量。
徐家汇天文台老照片
如果你想选择2019年最有价值和最受期待的照片，请点击下面的图片。这是一张位于5500万光年之外的巨大星系m87中心的超大质量黑洞的黑洞阴影照片。这也是人类拍摄的第一张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据，从强引力场的角度验证了爱因斯坦的广义相对论。
图1:M87星系中心的超大质量黑洞(m87*)图像。图像中心暗而弱的区域称为“黑洞阴影”，其周围的环形不对称结构是由强引力透镜效应和相对论束流效应引起的。由于黑洞的旋转效应，图片显示了上(北)和下(南)的不对称性。
这张照片拍摄于2017年4月，两年后被“冲洗”。2019年4月10日，黑洞事件望远镜(eht)组织并协调了全球六个地方的联合发布。
接下来，请和小系列一起学习这个“黑洞肖像”的小秘密。
一个看不见的黑洞如何证明它的存在？
100多年前，爱因斯坦提出了广义相对论，认为重力是时间空畸变的结果。他的方程预测，一个又小又重的物体可以隐藏在视界中，在视界中，它的引力是如此之强，以至于连光都无法逃脱，而这个物体就是一个黑洞。几乎所有星系的中心都有黑洞，在那里它们可以成长到太阳质量的数百万或数十亿倍。
在这张照片拍摄之前，主要有三种有代表性的证据可以证明黑洞的存在:
1.恒星和气体的运动揭示了黑洞的痕迹。黑洞有强大的引力，这将影响周围的恒星和气体。通过观察这种影响可以证实黑洞的存在。
2.根据黑洞中吸积物质发出的光来判断黑洞的存在(科学家将这个过程比作“吃东西”)。在黑洞强大的重力作用下，周围的气体将向黑洞下落，在离黑洞视界几百到几万倍的距离处形成一个发光的带状吸积盘。以超大质量黑洞为例，如果把黑洞的吸积盘面积比作一个大豆，普通星系就相当于一个50000米高的巨人。尽管大豆大小的活跃黑洞比巨大星系小一千万倍，但每秒钟发射的能量要大得多。这种小尺寸和大能量使我们推断它可能是一个黑洞。
3.通过观察黑洞的生长过程来“观察”黑洞。ligo探测到的五个引力波对应于恒星质量黑洞的合并事件，见证了一个较小的黑洞通过合成成长为较大的黑洞的过程。这种引力波的发现也是我们推断黑洞存在的证据之一。
所有这些都是间接的证据，如果你想直接“看到”黑洞，天文学家希望拍摄类似的照片:
图2:其中一个理论模型预测了银心的黑洞阴影和它周围的新月形光环。照片来源:上海天文台卢汝森
广义相对论预言，由于黑洞的存在，周围的时间空弯曲，气体被吸引下落。当气体落入黑洞时，引力能被转换成光和热，因此气体被加热到数十亿度。黑洞就像是沉浸在一个类似发光气体的明亮区域中，事件视界看起来像一个阴影，被一个由吸积或喷射辐射引起的新月形光晕所包围。考虑到黑洞的旋转和与观察者视线的差异，光晕的大小大约是史瓦西半径的4.8-5.2倍(作者注:史瓦西半径是指没有旋转的黑洞的视界半径。(
拍摄黑洞不仅仅是为了“眼见为实”[S2/]
拍摄黑洞照片有三个科学意义:
1.黑洞阴影的成像将提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞有很强的引力。拍摄黑洞照片的主要目的是验证强引力场下的广义相对论，看看观测结果是否与理论预测一致。
2.这有助于理解黑洞是如何进食的。黑洞的“阴影”区域非常接近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的最内部区域，这里的信息尤为关键。通过综合从以前的观测中获得的吸积盘外侧的信息，可以更好地重建物理过程。
3.这有助于理解黑洞喷射的起源和方向。由于磁场的作用，一些落向黑洞的物质在被吞噬之前会沿着黑洞的旋转方向被喷射出来。以前收集的大部分信息都是大规模的，科学家们无法知道在喷射源附近发生了什么。如果我们现在拍摄黑洞阴影，我们可以帮助天文学家。
图3:哈勃空望远镜拍摄的m87，版权所有:nasa
黑洞照片应该是这样的:圆形阴影+光晕
一百年前，爱因斯坦的广义相对论提出后不久，科学家们讨论了黑洞周围的光弯曲现象。20世纪70年代，詹姆·巴丁和让·皮尔勒鲁迈特绘制了黑洞图像。20世纪90年代，海诺瓦克等天文学家首次基于广义相对论下的光线追踪程序模拟了sgr a*在银河系中心的出现，并引入了黑洞“阴影”的概念。
理论预测，黑洞吸积或喷射产生的辐射光在黑洞强引力场的影响下被黑洞弯曲，使得天空空平面(垂直于视线的平面)被黑洞视在边界环分成两部分:视在边界环内的光子只要在可视界面之外就可以逃离黑洞。然而，在明显的边界环之外的光子可以多次环绕黑洞，并且累积的亮度足够高。
图4:广义相对论预测一个近似圆形的阴影将被一圈光子包围。由于旋转效应，黑洞的左边更亮。图像版权所有:d.psaltisanda.broderick
视觉上，视觉边界内的亮度明显较弱，看起来像一个被明亮光晕包围的圆形阴影。因此，它也被称为黑洞阴影。这个影子有多大？史瓦西黑洞的阴影直径是地平线直径的5.2倍。如果黑洞旋转得很快，阴影直径大约是地平线半径的4.6倍。这样，黑洞视在边界的大小主要与黑洞的质量有关，而与黑洞的旋转无关。
后来，更多的科学家对黑洞成像进行了大量的研究，并且都预言了黑洞阴影的存在。因此，黑洞阴影的成像可以提供黑洞存在的直接“视觉”证据。
八个拍摄黑洞照片的“摄影师”
为了拍摄第一张黑洞图像，在过去十年左右的时间里，麻省理工学院的天文学家与其他机构的同事一起，在世界各地建立了八个天文台，同时观测银河系中心的黑洞sgr a*和亚毫米波段m87星系的黑洞m87 *。这些望远镜统称为event horizon望远镜(eht)。
由于eht观测到的波段为1.3毫米，容易受到地球大气中水蒸气的影响，这些亚毫米波望远镜分布在高海拔地区，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和南极。
位于世界六个地点的八个站参加了这次观测。由于位置的限制，位于南极的spt望远镜无法观测到m87*。因此，实际上有七架望远镜参与了m87*的观测。
图5:2017年4月，8个甚长基线干涉站参与了超高温高压观测，其中m87*由于位置限制，无法被位于南极的spt望远镜观测到。照片来源:eht
拍摄黑洞真的很难！
给黑洞拍照困难吗？这一定很难。否则，我们直到今天才拍第一张照片。在这个过程中，有三座不可逾越的高山:"小"黑洞阴影、技术要求极高的观测带和复杂的数据处理。面对这些困难，天文学家运用他们的智慧，想出了许多巧妙的方法来解决它们。
1.要解决黑洞阴影的“小”问题，需要两个可靠的选择
为了解决这个问题，有必要确保两个“可靠”——可靠的照片模型和可靠的望远镜强度。
选择哪些黑洞作为照片模型
黑洞阴影的实际大小主要与两个因素有关——实际大小和黑洞到地球的距离。
一米外的乒乓球(直径40毫米)看起来和100米外的4米长的杆子一样高。因此，如果你想拍一张好照片，你必须找到一个“可靠”的照片模型，它的角度看起来很大。黑洞阴影的实际大小与黑洞质量有关，黑洞质量越大，黑洞阴影越大；结合距离因素，你会发现选择附近的超大质量黑洞是一个明智的选择。银河系中心的黑洞sgr a*和星系m87中心的黑洞是两个很好的模型。
Sgr a*是地球上能观测到的最大黑洞。它的质量是太阳质量的400多万倍。相应的地平线半径超过1300万公里。“视觉边界”的半径约为3300万公里。它与地球的距离是26000光年。“视觉边界”的角度大小约为0.00005角秒(50微角秒，1角秒相当于100万角秒)。重要的是要知道，满月的大小约为30角分钟(1角分钟相当于60角秒)，50微角秒相当于地球上一个橙色大小的物体。
图6:银心附近恒星的运动视频，图像来源:keck/uclagalacticcentgroup
尽管m87*黑洞的质量是sgr a*黑洞的1500倍，但它的距离是SGR a *黑洞的2000多倍，因此它是第二大黑洞，其阴影大小约为40微角秒。
值得一提的是，测量m87中心黑洞质量的不同方法(气体动力学和恒星动力学)的结果差了近两倍，这意味着黑洞阴影的大小可能小于40微角秒，甚至低于这个eht的分辨率极限。因此，从这个角度来看，m87*的阴影拍摄是成功的，这是非常幸运的，也限制了m87*黑洞的质量。
拍摄黑洞的照片:vlbi是必不可少的，望远镜有着非凡的力量
用来拍摄黑洞照片的望远镜的灵敏度和分辨率非常重要，这是描述望远镜强度的两个主要因素。灵敏度强调探测微弱无线电源的能力；分辨能力反映了在天球上区分两个彼此靠近的无线电点源的能力，这由刚才可以分辨的两个点之间的张角θ来表示。θ与观察波长和望远镜孔径有关。θ越小，分辨率越高。
它们都需要射电望远镜的孔径。望远镜的孔径越大，它的灵敏度和分辨率就越高。除了望远镜的孔径，分辨率也与观测波段有关。对于相同口径的望远镜，观测波长越长，θ越大，相应的分辨率越低。
因为射电望远镜接收的光的波长是可见光的几千倍，为了达到同样的分辨率，射电望远镜必须比光学望远镜大几千万倍。因此，直径100米的射电望远镜的分辨率远低于爱好者使用的光学望远镜。天文学家对高分辨率的渴望并不仅限于射电望远镜的单一天线。超长基线干涉测量法(超长基线干涉测量法；Vlbi)技术解决了射电望远镜的高分辨率问题。
所谓甚长基线干涉(vlbi)技术，是指当两台相互分离的射电望远镜同时观测到来自同一天体的无线电波时，按照各自独立的时间标准记录下该天体的无线电波，然后将这两个记录发送给处理器进行相关处理，最后分析得到该天体的无线电发射强度和位置。
为了成功成像，所有望远镜必须在时间上完全同步。当eht的每一个望远镜都能及时同步时，记录的信号就能得到完美的校正和聚焦。如果镜子不稳定，如振动，反射光将无法准确聚焦。Eht使用氢脉泽来确保记录的稳定性。原子钟可以精确到每亿万年一秒。
图7: VLBI原理，图像来源:中国科学博览会
值得一提的是，该vlbi技术还成功地应用于中国嫦娥探月工程探测器的定位。
无线电干扰技术的成功实施，使得望远镜阵列的角分辨率和灵敏度高于单个望远镜。Vlbi网络利用这一技术将不同地理位置的多台射电望远镜结合起来，形成一个望远镜观测网络，同时观测一个天体。vlbi的角度分辨率是由望远镜之间的最大距离(最长基线)决定的，这相当于一个直径为几千千米的超级望远镜，从而达到天文学研究中的最高分辨率。假设长度为10，000公里的基线在1毫米处观测时可获得约21微角秒的分辨率
2.实现高科技观测波段:1毫米+高精度望远镜
根据理论预测，黑洞周围气体的辐射强度在1毫米附近最高，最重要的是它是一个相对干净的观察窗，被同步自吸收大大削弱，黑洞周围气体的辐射变得透明。2017年，eht观测sgr a*和m87*的窗口为1.3毫米，未来有望使用0.8毫米。
既然理论预测甚至预测的照片很早就存在了，而且vlbi技术在最近十年也不可用，为什么黑洞照片现在才出现？
主要的瓶颈在于观察窗——大约1毫米。对观测波段的极高要求实际上意味着对望远镜性能的极高要求。
为了实现超视距望远镜的最佳性能，除了使用甚长基线干涉技术之外，每个望远镜必须有足够好的性能也是非常重要的。
eht的每个射电望远镜本质上都是一个大口径抛物面天线，就像一个卫星天线罐。为了保证射电望远镜天线在观测波段的正常观测，天线有一个技术门槛，其加工精度必须足够高，其与抛物面的偏差最多只能与观测波长相差5%。
因此，可以预期，观察毫米波所需的天线处理精度高于观察厘米波所需的天线处理精度，并且更难处理。不难发现，参与eht的八架望远镜的有效孔径大多超过10米，但最大值只有73米。
图8:智利的阿塔卡马大型毫米波阵列，有66个碟形天线。图片来源:bingwallpaperhd/alma
可以看出，根据不同的科学需要，望远镜必须在大与精之间做出取舍，而不能盲目追求大；如果你的科学要求是用毫米波来观察天体，但你一味地追求更大的孔径，却不能保证抛物线的精度，结果，你根本无法实现毫米波信号的有效聚焦。这台望远镜不是一个成功的作品。
3.“冲洗”照片:复杂的后处理分析
在拍摄黑洞照片的过程中，多个设备同时进行观察和记录，然后收集数据进行分析。在2017年4月的观测中，8个台站在5天的观测期间记录了约3500tb的数据(1tb相当于1024gb，相当于500小时的高清电影)。
由于数据量太大，无法通过网络传输，eht使用硬盘记录每个望远镜的原始观测数据，然后将硬盘送回数据处理中心。
超级计算机需要获得同一信号到达两个望远镜的时间差(时间延迟)以及时间延迟随时间变化的速度(时间延迟率)，校正无线电波到达不同望远镜的时间差，最后通过综合两个望远镜的位置信息、信号强度和上述两个参数(时间延迟和时间延迟率)来分析天体的无线电发射强度和位置。
这一过程涉及大量数据，处理难度是前所未有的。尽管现在人类的计算能力非常强大，但是“清洗”这张照片花了将近两年的时间——从2017年4月开始，科学家们花了将近两年的时间对这些数据进行后处理和分析。最后，第一张黑洞照片今天发布了。
中国在全球项目中的贡献
很多人都担心在拍摄黑洞的过程中是否有中国科学家。在这里，我可以自豪地告诉你，我们没有缺席。
中国科学家长期以来一直关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论和数值模拟。在事件视界望远镜国际合作形成之前，已经开展了许多具有国际显示度的相关工作。
在这次eht合作中，中国科学家为推动早期eht国际合作、eht望远镜观测时间的应用、夏威夷jcmt望远镜的观测、后期数据处理和结果的理论分析做出了贡献。
1.机构参与
Eht是多年国际合作的结果，科学家们提供了一种研究宇宙中最极端天体的新方法。eht的构建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。这离不开全世界研究人员的密切合作，这是全球团队合作的典范。13个合作机构利用现有基础设施，联合建立了eht，并得到了各种机构的支持。主要资金由国家科学基金会、欧盟欧洲研究理事会和东亚资助机构提供。
这一激动人心的成就得到了中国科学院天文科学中心(国家天文台、紫金山天文台和上海天文台)的支持。天文科学中心是eht合作组织的成员(eht有三个合作组织)。上海天文台牵头组织和协调国内学者通过该合作组织参与此次eht项目合作。
2.望远镜参与
为了利用vlbi技术形成大等效孔径、高灵敏度的望远镜，需要在全世界广泛分布足够多的望远镜。在过去的十年里，技术的突破，新射电望远镜的不断建造，超高技术项目的加入，以及算法的创新，终于为天文学家研究黑洞和黑洞视界打开了一个新的窗口。
目前，参与eht观测的jcmt是由中国科学院天文科学中心参与的eht合作组织运营的。由于观测波段的限制，基于正式观测的观测波段为1.3 mm。位于中国大陆的射电望远镜没有参与正式观测，但在之前的联合观测(2017年3月至5月的全球联合观测)中，上海65m天马望远镜和新疆南山25m射电望远镜作为东亚甚长基线干涉网的成员，参与了密集的毫米波甚长基线干涉合作观测，为最终m87*黑洞成像提供了总流量限制。
图9:上海65米天马望远镜，来源:上海天文台
今天只是一个起点，我们将在未来看到更多精彩的事情
参与此次eht观测的上海天文台专家一致表示，m87*黑洞的平滑成像绝不是eht的终点；
一方面，m87*的观测结果可以进一步分析，从而获得黑洞周围的磁场特性，这对理解黑洞周围物质的吸积和喷流的形成非常重要。
另一方面，人们期待已久的位于银河系中心的黑洞sgr a*的照片将会发布。
eht项目本身将继续“升级”，更多的观测站将加入eht，这将提高灵敏度和数据质量。让我们期待在未来看到m87*和sgr a*的高清照片，并发现照片背后的黑洞之谜。
总之，既然人类已经拍摄了第一张黑洞的照片，黑洞成像的春天还会远吗？
写在最后:不管你看不看，黑洞的影子在那里；不管你是否拍摄，黑洞的影子都在那里。因为我们的梦想、努力和坚持，我们终于第一次抓住了它，欣赏了它的美丽，看到了科学的真和美。不用说，这是国际合作演奏的完美乐章，中国科学家演奏了美妙和谐的音符，做出了重要贡献。未来，中国和中国科学家将以更好的科学理念和更精湛的水平，为斯卡这样的国际科学项目谱写更美好的篇章。
