首張黑洞照片今晚公布 預習資料在這裡了

　　原標題：吃瓜也要有文化|首張黑洞照片今晚公布，預習資料在這裡了

　　人類歷史上首張黑洞照片今晚揭曉。北京時間4月10日21時，全球六地（比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海、中國台北、日本東京和美國華盛頓）將聯合召開新聞發布會，公布這一重大科學成果。

　　屆時，澎湃新聞記者會在上海天文台的新聞發布會現場帶來速遞。而讀者們在搬好小板凳坐等「吃瓜」的同時，不妨先快速預習一下與這項黑洞研究有關的背景資料。

電影星際穿越當中的黑洞，周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤（圖片來源：電影《星際穿越》）

　　問：什麼是黑洞？

　　答：根據愛因斯坦引力場方程的計算，如果大量物質集中於空間一點，奇點周圍會形成時空扭曲的「視界」，一旦進入這個界面，連光子也無法逃逸。

　　這個預測在1916年被提出來，不過，直到1967年，普林斯頓大學核物理學家約翰？惠勒才在一場講座里首次使用了「黑洞」（black hole）這個辭彙，並迅速流傳開來。

　　問：既然看不見，怎麼拍黑洞的照片？

　　答：雖然科學家們看不到黑洞的本體，但可以一直追溯到光子消失的「視界」，這是我們能「看到」的極限。

　　黑洞周圍的確會存在一些發光的現象，比如黑洞在吃掉周圍的恆星時，會將恆星的氣體撕扯到身邊，形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會「打嗝」，一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去，形成噴流。

　　吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線，以及其他頻段的輻射。

　　問：怎麼尋找黑洞？

　　答：科學家們可以通過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在，尤其是它巨大的引力造成的時空扭曲，就像可以通過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質量。

　　其次，上文提到過吸積盤和噴流會產生髮光現象，伴隨其他頻段的輻射。

　　最後，黑洞與其他天體或另一個黑洞的相互作用會產生大量引力波，也是可探測的線索。

　　問：有確認存在的黑洞嗎？

　　答：有。人類探測到的第一例引力波信號，就是由雙黑洞併合產生的。

　　人類發現的第一個強有力的黑洞候選天體是1964年發現的天鵝座X-1，距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個正在被它吃掉的「舞伴」，但伴星的質量卻比它本身更加大，引發了廣泛的爭議，其身份長期懸而不決，霍金都為此打過賭（並輸掉了）。科學家們後來測得天鵝座X-1的質量約為14.8個太陽，視界半徑300公里，應該是一個「胃口」非常小的黑洞。

　　目前，科學家們更為關注的一類黑洞候選系統是軟X射線瞬變源。這類系統包含一個小質量的舞伴，通常處於寧靜態，但會出現間歇性的X射線爆發現象，間隔時間從數月到數十年不等。間歇性爆發的時候，就是探測黑洞的好時機。

　　根據理論計算，銀河系中應該存在上千萬個恆星量級的黑洞，現在得到確認的只有20多個。

　　問：這次拍到了哪個黑洞的照片？

　　答：兩個超大質量黑洞。一個是銀河系中心黑洞Sgr A*，一個位於室女座的M87星系中心。之所以選擇這兩個目標，而不是銀河系中更近的恆星級黑洞，是因為它們的視界從地球上看足夠大。

　　長久以來，科學家們就發現幾千億顆恆星圍繞著銀河系中心轉動，推測出那裡存在一個超大質量的天體。根據計算，Sgr A*的質量大約相當於400萬個太陽，視界半徑約2400萬公里。聽起來足夠大，不過，鑒於銀河系中心黑洞遠在2.5萬光年（約24億億公里）之外，實際效果相當於在地球上觀察一顆放在月球上的橙子，或者在北京看清上海一顆高爾夫球上的小坑。

　　M87中心的超大質量黑洞則達到了66億倍太陽質量，視界範圍大約是冥王星軌道的三倍。當然，因為距離更遠的緣故，M87中心黑洞在地球上看的實際效果與Sgr A*可能相差不大。

　　問：怎麼拍出解析度這麼高的照片？

　　答：全球望遠鏡組成陣列，聯合觀測，形成一個有效口徑等於地球直徑的大望遠鏡。這個虛擬的大望遠鏡叫做「事件視界望遠鏡」（EHT），由8台望遠鏡組成。分別是：南極望遠鏡（South Pole Telescope）；位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣（Atacama Large Millimeter Array，ALMA）；位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（Atacama Pathfinder Experiment）；墨西哥的大型毫米波望遠鏡（Large Millimeter Telescope）；位於美國亞利桑那州的（Submillimeter Telescope）；位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡（Submillimeter Array）；位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

　　從2018年起，又有格陵蘭島望遠鏡、位於法國的IRAM NOEMA天文台和位於美國的基特峰國立天文台加入後續的研究和校準工作。

　　全球一共60多個研究機構參與了研究，其中包括中國科學院下屬的上海天文台、雲南天文台等機構，以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學、台灣大學等高校。這也是中國上海和台北兩地聯合舉辦新聞發布會的原因。

　　問：2017年拍的照片，為什麼現在才公布？

　　答：黑洞照片「拍」起來難，「洗」出來也難。虛擬的大望遠鏡陣列並非直接拍出了黑洞的圖像，而是給出了許多數據，必須經歷複雜的計算機處理過程。其中還有些缺失或模糊的部分，需要科學家們拼圖。

　　此外，在2017年4月的聯合觀測以後，研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。

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