黑洞：科学家们获得了一个位于M87星系中心的黑洞的图像

Question

如题所述

Answer 1

第一张……

国家天文台苟利军研究员@Flyingspace ：

这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。

爱因斯坦

另外一个重要意义在于，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

受限于观测分辨率和灵敏度等因素，目前的黑洞细节分析还不完善。未来随着更多望远镜加入，我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节，从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制，完善我们对于星系演化的认知与理解

左文文（上海天文台）：

如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片，那么非下面这张照片莫属。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片，也是人类拍摄的首张黑洞照片。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广义相对论。

图1：M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像，上图为2017年4月11日的图像，图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”，周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束（beaming）效应所造成的。由于黑洞的旋转效应，图片上显示了上（北）下（南）的不对称性。

这张照片于2017年4月拍摄，2年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜（Event Horizon Telescope， EHT）合作组织协调召开全球六地联合发布。

给黑洞拍照，有三个科学意义：

1. 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。

2. 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。

3. 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。如果现在对黑洞暗影的拍摄，就能助天文学家一臂之力。

图2：哈勃空间望远镜拍摄的M87，图片版权：NASA

黑洞照片应该是这样：圆形阴影+光环

一百年前，爱因斯坦广义相对论提出后不久，便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。上世纪90年代，Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序，模拟出银河系中心黑洞Sgr A*的样子，引入了黑洞“阴影”的概念。

理论预言，受黑洞强引力场的影响，黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞弯曲，使得天空平面（与视线方向垂直的面）被黑洞“视边界”（apparent boundary）的圆环一分为二：在视边界圆环以内的光子，只要在视界面以外，就能逃离黑洞，但受到很强的引力红移效应，亮度低；而视边界圆环以外的光子，能绕着黑洞绕转多圈，积累的亮度足够高。

图3：广义相对论预言，将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。由于旋转效应，黑洞左侧更亮。图片版权：D. Psaltis and A. Broderick

从视觉上看，视边界内侧的亮度明显更弱，看起来就像一个圆形的阴影，外面包围着一个明亮的光环。故此也得名黑洞 “阴影”（black hole shadow）。这个阴影有多大呢？史瓦西黑洞的阴影直径是视界直径的5.2倍；如果黑洞转得快，阴影直径也有约4.6倍视界半径。如此看来，黑洞视边界的尺寸主要与黑洞质量有关系，而与黑洞的自转关系不大。

后来，更多科学家针对黑洞成像开展了大量的研究，均预言黑洞阴影的存在。因此，对黑洞阴影的成像能够提供黑洞存在的直接“视觉”证据。

今天只是起点，未来将看到更多精彩

其实，人类关于黑洞的理论预言出现的时间不短，VLBI技术也并不是近十年才成熟。为什么现在才“拍”到第一张黑洞照片呢？一个重要的原因是，想要利用VLBI技术构成一个等效口径足够大、灵敏度足够高的望远镜，需要在全球各地广泛地分布着足够多的这类望远镜。过去十年中，技术的突破、新射电望远镜的不断建成并加入EHT项目、算法的创新等，终于让天文学家们打开了一扇关于黑洞和黑洞视界研究的全新窗口。

参与此次EHT观测的上海天文台专家一致表示，对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点站。

一方面，对于M87*的观测结果分析还能更加深入，从而获得黑洞周围的磁场性质，对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。

另一方面，大家翘首以待的银河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出炉了。

EHT项目本身还将继续“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，那黑洞成像的春天还会远吗？

Answer 2

偏振光下M87超大质量黑洞的图像。图片版权：EHT合作组织 释疑1：偏振图像有什么特点？ 2019年4月10日，科学家们发布了有史以来第一张黑洞图像，揭示了一个明亮的环状结构及其黑暗的中央区域——黑洞的阴影。它是室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。 此后，EHT合作组织深入研究了2017年收集到的M87星系中心超大质量黑洞的数据。他们发现，M87黑洞周围的相当一部分光是偏振的。 一般生活中的光，比如太阳光、白炽灯光等，振动在各个方向是均匀分布的，称为非偏振光。当光线通过某些滤光片（如偏光太阳眼镜的镜片），或从被磁化的高温区域发出来时，光就会发生偏振。 就像偏光太阳眼镜能减少来自明亮表面的反射和炫光，从而帮助我们看得更清楚一样，天文学家可以通过观察来自黑洞边缘的光的偏振特性来锐化他们的视野。具体而言，偏振观测可以让天文学家绘制存在于黑洞边缘的磁力线。这张新公布的“照片”就是在原来总强度图的基础上进一步处理偏振信号获得的。 释疑2：偏振图像能告诉我们什么？ 这次最新公布的偏振图像是理解磁场如何让黑洞“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流的关键。 从M87的核心喷射出来的明亮的能量和物质喷流，向外延伸了至少5000光年，是该星系最神秘、最壮观的特征之一。大部分靠近黑洞边缘的物质都会落入其中。然而，周围也有一些粒子会在被捕获前的瞬间逃逸并以喷流的形式向外传播。此次新的黑洞及其阴影的EHT偏振图像，使天文学家首次成功探究黑洞外缘区域，在那里物质可能被吸入或被喷射出来。 观测结果提供了新的有关黑洞外缘磁场结构的信息。研究团队发现，黑洞边缘的磁场非常强，其作用力足以使得高温气体能够抵御引力的拉扯。只有溜过磁场的气体才能以旋进的方式进入到事件视界。（注：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。光线不能逃脱的边界被称为事件视界。） 研究团队发现，只有以强磁化气体为特征的理论模型才能解释在事件视界看到的情况并产生足够强的相对论性喷流。这些成功的模型可进一步推断M87中黑洞的物质吸积率的大小（黑洞吞噬物质的快慢），即每千年吞噬0.3到2倍太阳质量的物质。这些结论大大加深了科研人员对黑洞周围物理环境的理解。 释疑3：偏振图像是如何得到的？ 为了观测M87星系的中心，这项合作将世界各地的八台望远镜连接起来，创建了一个虚拟的类似地球大小的望远镜——EHT。 相比于2019年公布的首张黑洞照片，此次新照片看起来清晰度更高一些。这并非EHT升级了望远镜阵列，像手机升级摄像头一样提高了像素。事实上，新照片与首张黑洞照片来自于同一批成像观测，但是这张“照片”是通过进一步处理偏振信号获得的，被称之为“黑洞在偏振光下的影像”。由于获取和分析这些数据涉及十分复杂的技术，科学家们为绘制这一偏振图像用了更多的时间。 由于偏振辐射是个包含大小和方向的矢量，通常在小尺度致密区域探测到的偏振辐射比较明显，接近真实的情况，但若是没有足够的分辨本领探测这些区域内偏振辐射的话，观测到的偏振辐射就会由于叠加效应而被削弱。EHT的分辨本领相当于在地球上看清月面一张信用卡所需的分辨率，其高分辨本领让科学家们能够分解开这些致密区域，研究团队能够直接观察到黑洞的阴影以及环绕的光环。 新的偏振图像清楚地显示出该光环是磁化的。EHT合作成员、上海天文台路如森研究员说，黑洞的偏振成像结果十分令人兴奋，因为这对理解黑洞周围的磁场及物理过程至为关键。 编辑 刘梦婕 校对 李立军

Answer 3

黑洞及其阴影首次在图像中被捕捉到, 这是一个名为 "事件地平线望远镜" (EHT) 的国际射电望远镜网络的 历史 性壮举。EHT 是一个国际合作, 其在美国的支持包括国家科学基金会。

黑洞是一个极其密集的物体, 任何光线都逃不掉。任何进入黑洞 "事件视界" 的东西, 它的不归点, 都会被消耗, 永远不会重新出现, 因为黑洞的强大引力是难以想象的。就其性质而言, 一个黑洞是看不见的, 但围绕它的材料的热盘却闪耀着光芒。在明亮的背景下, 比如这个圆盘, 黑洞似乎投下了阴影。

这张惊人的新图片显示了梅西埃 87 (M87) 中心超大质量黑洞的阴影, 梅西埃 87 (M87) 是一个距离地球约5500万光年的椭圆星系。这个黑洞的质量是太阳的 65亿倍, 它的阴影在全球范围内涉及八台地面射电望远镜, 它 们在 一起工作, 就好像它们是一个望远镜, 相当于我们整个星球的大小。

美国宇航局华盛顿总部天体物理学司司长保罗·赫兹说: "这是 EHT 团队取得的一项惊人成就。"多年前, 我们以为我们必须建造一个非常大的太空望远镜来成像一个黑洞。通过让世界各地的射电望远镜像一台仪器一样协同工作, EHT 团队提前几十年实现了这一目标。

为了补充 EHT 的调查结果, 美国航天局的几个航天器是在 EHT 的多波长工作组的协调下, 利用不同波长的光观测黑洞的一项巨大努力的一部分。作为这项工作的一部分, 美国宇航局的钱德拉 x 射线天文台、核光谱望远镜阵列 (NuSTAR) 和 Neil Gehrels SwiftObservatory 太空望远镜任务都与不同种类的 x 射线光相适应, 他们的目光转向了周围的 M87 黑洞与2017年4月的活动地平线望远镜同时进行。如果 EHT 观测到黑洞环境结构的变化, 这些任务和其他望远镜的数据可以用来帮助找出发生了什么。

虽然美国宇航局的观测没有直接追踪到这一 历史 图像, 但天文学家利用美国宇航局钱德拉和努星卫星的数据测量 M87 飞机的 x 射线亮度。科学家们利用这些信息将黑洞周围的喷射和圆盘模型与 EHT 观测结果进行了比较。随着研究人员继续研究这些数据, 其他见解可能会出现。

关于黑洞的许多剩余问题, 美国宇航局的协调观测可能有助于回答。关于为什么粒子在黑洞周围获得如此巨大的能量提升, 形成戏剧性的喷射器, 以接近光速的速度从黑洞的极点上涌动出来, 这一谜团挥之不去。当物质落入黑洞时, 能量会流向哪里？

宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学的天文学家 Joey Neilsen 代表 eht 的研究机构领导钱德拉和 NuSTAR 的分析, 他说: "x 射线可以帮助我们将事件视界附近粒子的变化与我们可以用望远镜测量的东西联系起来。

美国宇航局太空望远镜此前曾研究过一种距离 M87 中心 1, 000多光年的喷气式飞机。喷射机是由接近光速的粒子组成的, 从接近事件视界的高度能量射出。EHT 的设计在一定程度上是为了研究这种喷射机的起源和其他类似的飞机。哈勃天文学家在1999年发现的一团名为 HST-1 的射流中的一团物质经历了一个神秘的增亮和变暗循环。

钱德拉、努斯塔和斯威夫特, 以及美国宇航局的中子星内部成分 探索 者 (NICER) 在国际空间站上的实验, 也看了黑洞在我们自己的银河系中心, 称为射手座 a, 与 EHT 协调。

科学家们强调, 让地面和太空中如此多的不同望远镜都向同一个天体看, 这本身就是一项艰巨的任务。

尼尔森说: "安排所有这些协调观测对 EHT 和钱德拉和努斯特任务策划者来说都是一个非常棘手的问题。"他们做了非常不可思议的工作, 为我们获得了我们所掌握的数据, 我们非常感激。

尼尔森和参与协调观测的同事们将致力于解剖来自 M87 黑洞的整个光谱, 从低能量无线电波到高能伽马射线。有了来自 EHT 和其他望远镜的如此多的数据, 科学家们可能会有多年的发现。

Answer 4

黑洞照片的拍摄，绝不是拿相机直接拍的，而是通过射电望远镜，感知黑洞周边的磁场强弱，大概描绘出来的。当然，图片中大部分是有事实根据的，也有一部分是科学根据已知算出来的形状，有些红颜色是为了好看添加上去的