黑洞首露真容 解开百年之谜 完美验证爱因斯坦相对论预言

□制图杨仕成

爱因斯坦

4月10日，中国科学院上海天文台举行新闻发布会，发布人类史上首张黑洞照片。

新华社发

人类研究黑洞历史

18世纪末

英国科学家约翰·米歇尔在1783年首次提出，可能存在引力强大到连光线也无法逃离的“暗星”。

1915年

爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。但其实，就连爱因斯坦也曾经不相信黑洞真实存在。

20世纪60年代

美国天体物理学家约翰·惠勒首次将“黑洞”作为一个科学术语提出，这个词象征着它的黑暗和神秘。

2015年

堪称黑洞研究的一个小高峰：引力波探测项目为黑洞的存在提供了证据。

瀚星空中，黑洞是极神秘又惹人遐思的天体。它，“吞噬”一切，连光也无法逃脱。它，体积小、质量大，可以弯曲周围的时空。它的“前世今生”带着重重谜团，让人好奇无比。百余年来，人类探寻黑洞奥秘的脚步从未停歇。从爱因斯坦的广义相对论率先预言黑洞的存在，到惠勒提出“黑洞”概念，再到霍金提出“黑洞是时空的扭曲者”……科学家们日益相信，宇宙中存在许多大小不一的黑洞，甚至在银河系的中心就有一个超大黑洞。

多年来，一些间接证据陆续证实黑洞的存在，人类不断插上科幻翅膀勾画黑洞容颜。科幻电影也在不断“幻想”黑洞影像。在电影《星际穿越》中，黑洞“卡冈图雅”是那深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆圈。就在4年前，两个黑洞合并产生的引力波信号被科学家“捕捉”到，成为科学界的一个里程碑事件，人类开始“听”到黑洞。

这一次，人类终于眼见为实。

2019年4月10日，人类史上首张黑洞照片面世！人类终于看见了黑洞真容！

这张在全球多地同步公布的“大片”，证实了神秘天体黑洞的存在，也使得爱因斯坦的百年猜想终得检验！

北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据，证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体——黑洞，一种体积极小、质量极大的天体，如同一个宇宙“吞噬之口”，连光也无法逃逸。

露出真容的黑洞，位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

焦点1

黑洞照片证明了什么？

广义相对论在黑洞仍成立

2016年，有科学家在对2015年人类第一次观测到的引力波数据进行分析后表示，在黑洞周边，爱因斯坦的广义相对论可能会失效。那么，这一理论是对的吗？

“观测结果与理论预言非常一致，这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据，这证实在黑洞这样的极端条件下，广义相对论仍然成立。”中国科学院上海天文台台长沈志强说，先辈科学家为我们这个世界搭建的理论模型，再次经受住考验。

上海天文台研究员路如森难掩兴奋：“黑洞的暗影区域和光环，相当于打开一扇窗，未来可以更好地重构黑洞‘吞噬’的物理过程，深入了解这个过程中发生的奇异事件。”

给黑洞拍照的“事件视界望远镜”项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克表示，黑洞涉及人类对宇宙的根本了解，“我们的宇宙中有两大理论，爱因斯坦的相对论描述了宏观，量子力学描述了微观，但是在黑洞的边缘，相对论与量子力学无法协调，在那里可能会发现新的东西”。

美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马罗内认为，黑洞之所以重要，是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质，然后又将其中一部分以接近光速向外喷射，影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息，也有助于了解黑洞喷流的形成过程。

首张黑洞照片，不由让人想起被多次重复的那句话：爱因斯坦又对了。

焦点2

这张照片是怎么拍的？

借助8个射电望远镜联合观测

在黑洞周围，光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”。对这个特殊区域，人类动用口径相当于地球直径的“虚拟望远镜”，探寻黑洞留下的种种“蛛丝马迹”。

根据著名理论物理学家霍金的理论，黑洞“事件视界”并非“有去无来”的单行车道。

为了提高望远镜空间分辨率，来自全球多个国家30多个研究所的200多名科研人员开展了一项庞大的观测计划，他们将分布在全球不同地区的多个射电望远镜组成一个阵列进行联合观测，这就相当于获得了一个口径宛如地球大小的巨型望远镜，这就是“事件视界望远镜”项目。

“事件视界望远镜”实际上尝试观测的是黑洞的“事件视界”。经数年精心准备，“事件视界望远镜”项目的国际科研团队通力合作，借助分布在世界多地的8个射电望远镜联合观测，再经过近两年的数据处理及理论分析，终于成功获得第一张黑洞照片。

焦点3

给黑洞拍照难在哪里？

三个字形容：“小”“暗”“扰”

给黑洞拍照的难点，在参与此次大科学计划的专家眼中，可以用三个字来形容：“小”“暗”“扰”——细节太小，信号太暗，干扰太多。

黑洞如此遥远，寻找它如同从地球观察月球上的一个橘子，需要的望远镜口径超乎想象。况且，这个望远镜还要足够灵敏，才能“看”得清极其微小的细节。

这是一个难以想象的大科学计划：用分布全球的8个观测点，组成一个口径如地球直径大小的虚拟望远镜。条件苛刻的观测点，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。

要顺利拍照，不仅要“看”得远，还要选对频道。“对黑洞成像而言，最佳的波段进行观测至关重要，这个波段就在1毫米附近，成像的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”路如森说。

不同的望远镜各有所长。正是给黑洞拍照的这一特殊要求，让包括“中国天眼”在内的一些大型望远镜“束手旁观”。

专家解释，这一波段的黑洞电磁波辐射最明亮，而背景“噪音”的干扰又最小。

焦点4

洗照片为何长达2年？

海量数据需要后期处理分析

拍照难，洗照也不易。望远镜记录下的海量数据，需要进行复杂的后期处理和分析，才能获取最终的黑洞图像。

以2017年4月的观测为例，每个台站的数据率达到惊人的32GB/秒，8个台站在5天观测期间共记录约3500TB的数据。专家表示，如果是像看电影一样不间断地看，这些数据至少需要500多年才能看完。

该国际合作项目负责人、哈佛大学教授谢泼德·多尔曼表示，10多年来，正是技术的突破、新望远镜的建成，最终使人类能够“看到”黑洞。

焦点5

黑洞真容“没对好焦”？

橘色部分是肉眼不可见射电

而当人们感叹终于一睹黑洞真容时，也有不少人发现，这次发布的黑洞照片和影视作品中的相比，的确有点“其貌不扬”，给人第一反应是“没对好焦”。

物理学家李淼对这张照片做了简单分析：黑洞视界附近会吸引一些物质，这些物质要么会高速旋转，要么会落进去。这两种情况都会产生摩擦发生电波。我们看到的橘红色部分，其实是肉眼不可见的射电，只是在后期处理中染色，让大家可见。

为什么和影视作品相比，这个黑洞显得这么小呢？“黑洞只是质量和密度超乎想象的大，比如这次拍到的黑洞质量是太阳的65亿倍，属于超大质量黑洞，但体积却比较小，小到在其内部几乎没有空隙。”参与此次国际合作的中科院上海天文台研究员路如森说。

焦点6

给黑洞拍照这项合作，

中国科学家做出了哪些贡献？

从首张月背照片到首张黑洞照片，人类观测宇宙的新窗口正在不断打开。在探索宇宙奥秘的征程中，中国也不断贡献着智慧。

我国科学家全程参与了给黑洞拍照这项国际合作，在早期推动这一项国际合作、望远镜观测时间申请、夏威夷望远镜观测运行、后期数据处理和理论分析等方面均做出了贡献。

沈志强说，基础科学研究的国际合作是大势所趋，但很多时候不能只靠经费投入“凑份子”，前期研究和人才积累是取得合作“话语权”的重要因素。

从“中国天眼”（FAST）到“世界巨眼”（SKA），从人类基因组测序到泛第三极环境研究，近年来，中国参与国际合作的广度和深度不断加大，在吸收世界创新养分的同时，也不断贡献中国智慧。

“在伟大梦想的支持下，人类科学探索的脚步，将永不停歇。”沈志强说。

华西都市报-封面新闻记者 陈彦霏 忻晓松

综合新华社、央视

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