连光都无法逃脱的黑洞是怎么被拍到的？

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　　如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片，那么非人类拍摄的首张黑洞照片莫属。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广义相对论。
　　这张照片于2017年4月拍摄，两年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜（EHT）合作组织协调，在全球六地联合发布。
　　看不见的黑洞如何证明它存在？
　　一百多年前，爱因斯坦提出广义相对论，将引力视为时空扭曲的效应。他的方程预言，一个小而重的物体能隐藏在事件视界（event horizon）之内，在视界内，其引力强大到连光都无法逃脱，这个物体就是黑洞。几乎所有的星系中心都存在黑洞，在那里，它们可以成长到太阳质量的数百万或者数十亿倍。
　　在这次拍照前，主要有三类代表性证据可以表明黑洞的存在：
　　一、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、根据黑洞吸积物质（科学家们把这个过程比喻成“吃东西”）发出的光来判断黑洞的存在。
　　三、通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。
　　广义相对论预言，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。
　　给黑洞拍照不止是为了“眼见为实”
　　给黑洞拍照，有三个科学意义：
　　一、对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的，给黑洞拍照最主要的目的，就是在强引力场下验证广义相对论，看看观测结果是否与理论预言一致。
　　二、有助于理解黑洞是如何“吃东西”的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域，这里的信息尤为关键，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，就能更好地重构这个物理过程。
　　三、有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。对黑洞暗影的拍摄，就能助天文学家一臂之力。
　　八位拍写真的“摄影师”
　　为了捕获第一张黑洞图像，过去的十年多时间里，麻省理工学院的天文学家们联合了其他机构的同行们，让全球八个天文台同时对银河系中心的黑洞Sgr A★和M87星系中的黑洞M87★展开亚毫米波段观测，这些望远镜统称为“事件视界望远镜”（EHT）。
　　由于EHT此次观测的波段在1.3毫米，容易受地球大气的水汽影响，因此，这些亚毫米波段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以及南极点。
　　参与此次观测的包括位于世界六个地点的八个台站。其中，由于位置的限制，位于南极的SPT望远镜无法观测到M87★。所以参与观测M87★的望远镜实际上是七台。
　　“冲洗”照片：复杂的后期数据处理分析
　　在这次拍摄黑洞照片的过程中，多台设备同时观测和记录，然后将数据汇总到一起分析。2017年4月份的观测中，八个台站在五天观测期间共记录约3500TB的数据（1TB等于1024GB，相当于500小时的高清电影）。
　　因为数据量庞大得不可能靠网络传递，所以，EHT用硬盘来记录每个望远镜的原始观测数据，再把硬盘寄回数据处理中心。
　　超级计算机需要获取相同的信号到达两个望远镜的时刻差（时延）以及时延随着时间的变化快慢（时延率），校正射电波抵达不同望远镜的时间差，最后综合两个望远镜的位置信息、信号的强度以及上述两个参数——时延、时延率，就可以对该天体的射电辐射强度和位置进行分析。
　　这个过程中，涉及数据量之多，处理难度之大，都是前所未有的。即使现在人类的运算能力已经非常强大，这张照片还是花费了近两年时间“冲洗”——从2017年4月开始，科学家们用了近两年时间对这些数据进行后期处理和分析。终于，在2019年4月10日发布了首张黑洞照片。
　　EHT項目本身还将继续“升级”，还会有更多的观测台站加入EHT，灵敏度和数据质量都将提升。让我们一起期待未来看到M87★和Sgr A★的更高清照片，发现照片背后的黑洞奥秘。
　　总之，人类既然已经拍到第一张黑洞照片，那么黑洞成像的春天还会远吗？
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