第一张黑洞照片正式公布！再次证明爱因斯坦是正确的
大量天文观测数据已证实，在浩瀚的宇宙当中，有无数的黑洞神秘地藏身于各星系中。
但人类却从未直接“看”到过黑洞，并不知道它的真实模样。
为了能一睹黑洞真容，4月5日到14日之间，来自全球30多个研究所的科学家们启动了一项雄心勃勃的庞大观测计划。他们将分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络，希望利用其捕获黑洞影像。
最终，科学家们成功拍摄到了黑洞的第一幅“照片”。
北京时间4月10日21时，这张照片在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京六地同时发布。传说中的黑洞终于揭开神秘面纱。
人类有史以来的第一张黑洞照片是如何拍摄的，本报记者为您揭秘整个过程。
认识黑洞
理论上，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，该势力范围称作黑洞的半径或称作事件视界。
那么，黑洞是怎么形成的？
像宇宙万物一样，恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时，内核会急剧塌缩，所有物质快速的向着一个点坍缩，最终坍缩成一颗黄豆大小的奇点，并形成一个强大的力场漩涡，扭曲周围时空，成为黑洞。
宇宙中，根据质量天文学家们将宇宙中的黑洞分成三类：恒星级质量黑洞（几十倍—上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。
根据理论推算，银河系中应该存在着上千万个恒星量级的黑洞。然而，因为黑洞自身不发射和反射电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到它。
既然无法“看见”，那怎么就知道它存在呢？天文学家们主要是通过各种间接的证据。
中国科学院上海天文台研究员沈志强：“主要有三类代表性证据。一是恒星、气体的运动透漏了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，于是我们可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。二是根据黑洞吸积物质，也就是吃东西时发出的光来判断黑洞的存在。第三则是通过看到黑洞成长的过程‘看’见黑洞。”
到目前为止，通过间接的观测，科学家们在银河系发现和确认了20多个恒星级质量黑洞，但可能有上千万个恒星级黑洞候选体。
沈台长说：“宇宙每个星系中心都有一个超大质量的黑洞。我们居住的银河系中心就有一颗，它的质量大约是太阳质量的400多万倍。除此之外，银河系还有很多恒星级黑洞。”
这些神秘的黑洞和宇宙的诞生和演化有何关系？它和所在的星系之间又有什么关系？它又和我们人类有什么关系，会不会对我们的生活产生影响？……
为了更准确清晰地解答这些问题，科学家们想直接“看”到黑洞。
准备“相机”
广义相对论预言，虽然黑洞本身不发光，但因为黑洞的存在，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。
爱因斯坦的广义相对论已预测过这个“阴影”的存在，以及它的大小和形状。
科学家们期望这次能直接捕获到这个黑洞“阴影”的图像。
中国科学院上海天文台研究员路如森说：“对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接‘视觉’证据。”
路如森说：“这就必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而能保证看得到和看得清。”
但满足上述所有条件，望远镜的口径需要像地球大小。
然而，目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米。
那该怎么办？
聪明的天文学家们想到了一个好办法——搞强强联合。
把地球上现有的一些望远镜“组合”起来，就能够形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜,其所达到的灵敏度和分辨本领都是前所未有的。
于是，全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”（EHT）这一重大国际合作计划，决定利用甚长基线干涉测量技术。
沈志强说：“就是利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测，最后将数据进行相关性分析之后合并，这一技术在射电波段已相当成熟。”
最终，科学家们选定了来自全球多地的包括南极望远镜等8个亚毫米射电望远镜。
路如森说：“它们多数都是单一望远镜，比如夏威夷的JCMT和南极望远镜。也有望远镜阵列，比如ALMA望远镜是由70多个小望远镜构成。”
选定目标
在组建大型虚拟望远镜的同时，科学家们也在寻找着合适的拍摄目标。
黑洞剪影和周围环绕的新月般光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞照片，必须找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为目标。
科学家们甄选了一圈之后，决定将近邻的两个黑洞作为主要目标：一个是位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*，另一个则是位于射电星系M87的中心黑洞M87*。
沈志强说：“由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也意味着质量越大，其事件视界越大。我们选定的这两个黑洞质量都超级大，它们的事件视界在地球上看起来也是最大的，可以说是目前最优的成像候选体。”
尽管如此被选择的两个黑洞已是最优成像候选体，但要清晰为它拍照，难度还是极其大。
Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳，所对应的视界面尺寸约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。然而，地球与Sgr A*相距2万5千光年（约24亿亿公里）之遥。
沈志强说：“这就意味着，它巨大的视界面在我们看来，大概只有针尖那么小，就像我们站在地球上去观看一枚放在月球表面的橙子。”
M87中心黑洞的质量更为巨大，达到了60亿个太阳质量。
尽管M87中心黑洞与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因质量庞大，所以它的事件视界对科学家们而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至还要稍微大那么一点儿。
调试相机
要想看清楚两个黑洞事件视界的细节，事件视界望远镜的空间分辨率要达到足够高才行。
要多高呢？
路如森说：“比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。”
但也别以为，只要虚拟望远镜阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。
实际情况并没那么简单！如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，能够在合适的波段进行观测至关重要。
此前的一系列研究表明，观测黑洞事件视界“阴影”的最佳波段是约为1毫米。
路如森说：“因为气体在这个波段的辐射最明亮，而且射电波也可以不被阻挡地从银河系中心传播到地球。”
在这种情况下，望远镜的分辨率取决于望远镜之间的距离，而非单个望远镜口径的大小。
为了增加空间分辨率，以看清更为细小的区域，科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。
沈志强说：“这样设置是为了要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞，从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率。”
正式拍摄
8个望远镜北至西班牙，南至南极，它们将向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，为我们勾勒出黑洞的模样。
留给科学家们的观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天时间。对于来说，是在4月5日到4月14日之间。
除了观测时间上的限制，拍摄对天气条件要求也极为苛刻。
“因为大气中的水对这一观测波段的影响极大，水会影响射电波的强度，这意味着降水会干扰观测。” 沈台说，“要想视界面望远镜顺利观测，需要所有望远镜所在地的天气情况都非常好。”
按照要求，计划选择的8个望远镜所在之处均是位于海拔较高，降雨量极少，全部晴天的概率非常高。
此外，要成像成功还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。
北京时间4月4日，事件视界望远镜启动拍摄，将视线投向了宇宙。最后的观测结束于美国东部时间4月11日。
观测期间，每一个射电望远镜都收集并记录来自于目标黑洞附近的射电波信号，这些数据然后被集成用于获得事件视界的图像。
沈志强说：“为了确保信号的稳定性，事件视面望远镜利用原子钟来确保望远镜收集并记录信号在时间上同步。”
冲洗照片
给黑洞拍张照片不容易，“洗照片”更是耗时漫长。
射电望远镜不能直接“看到”黑洞，但它们将收集大量关于黑洞的数据信息，用数据向科学家们描述出黑洞的样子。
在观测结束之后，各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心（分别位于美国麻省Haystack天文台和德国波恩的马普射电所）。在那里，超级计算机通过回放硬盘记录的数据，在补偿无线电波抵达不同望远镜的时间差后将所有数据集成并进行校准分析，从而产生一个关于黑洞高分辨率影像。
此后，经过长达两年的“冲洗”，4月10日，人类历史上首张黑洞照片终于问世。
爱因斯坦的广义相对论再次得到了证实。
据CNN、BBC等媒体报道，美国国家科学基金会的研究人员于美东时间周三上午宣布，4月，科学家们使用全球望远镜网络观测并捕捉到了有史以来第一张黑洞照片。具体来讲，此次公布的黑洞是一个超大质量的黑洞图像，以及这个黑洞在一个名为M87星系中心的影子。
图片来源：新华视点
质量是太阳的65亿倍
研究人员表示，这是黑洞存在的第一个直接的视觉证据。这个巨大的星系被称为梅西耶87（Messier 87）或M87，距离地球5500万光年，位于室女座星系附近。这个超大质量的黑洞的质量是太阳的65亿倍。
”我们已经看到了我们认为看不见的东西，我们已经看到并拍下了黑洞的照片。“视界望远镜合作项目（Event Horizon Telescope Collaboration，以下简称EHT）主任谢泼德·杜尔曼（Sheperd Doeleman）表示。
CNN报道中称，超过200名研究人员参与了这个项目，这花了他们十多年的时间。而该项目之所以以“事件视界（Event Horizon）”命名，是因为事件视界是围绕黑洞的拟议边界，即光线不能逃脱的临界范围。隶属于EHT的欧洲南方天文台（European Southern Observatory）表示，为了捕捉黑洞的图像，科学家们利用了超长基线干涉测量技术，将全球8台射电望远镜的能量进行了结合，这有效地创建了一个与地球本身大小相同的虚拟望远镜。
参与创建全球阵列的这八台射电望远镜包括ALMA望远镜（位于智利北方沙漠）、APEX望远镜（位于智利北方沙漠）、IRAM 30米望远镜（位于西班牙安达鲁西亚内华达山脉的韦莱塔峰）、JCMT麦克斯韦望远镜（位于夏威夷）、LMT大型毫米波望远镜（位于墨西哥普埃布拉省里一座休眠的火山顶上）、次毫米波阵列望远镜（位于美国夏威夷毛纳基山天文台）、次毫米望远镜（位于美国亚利桑那）和南极望远镜（位于南极洲南极点阿蒙森·史考特南极站）。
美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马隆（Daniel Marrone）表示，“这些观测就像是一场协调的舞蹈，我们按照精心设计的顺序同时对准望远镜。为了确保这些观测确实是同时进行的，我们在每台望远镜上都使用了极其精确的原子钟。”
这些望远镜阵列在两周时间内收集了近5000万亿字节的数据，且这些数据是通过超级计算机处理的，以便科学家们能够检索到这些图像。这些观察的细节目前已经发表在《天体物期刊通讯》（Astrophysical Journal Letters）上。
或是地球上可观测到的最大质量黑洞
那么，究竟什么是黑洞？黑洞（black hole）是根据广义相对论所推论、在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体（并非是一般认知的“洞”概念）。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以致于大量可测物质和辐射都无法逃逸，就连传播速度极快的光子也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故名黑洞。在黑洞的周围，是一个无法侦测的事件视界，标志着无法返回的临界点，而在黑洞中心有一个密度趋近于无限的奇点。
EHT科学委员会主席海诺·福尔克表示：“如果我们沉浸在一个明亮的区域，我们预计黑洞会产生一个类似阴影的黑暗区域——这是爱因斯坦广义相对论中我们从未见过的预测。这道阴影是由视界的引力弯曲和光线的捕获造成的，它揭示了这些迷人物体的许多特质，让我们得以测量M87黑洞的巨大质量。”
EHT董事会成员、东亚天文台主任Paul T.P.Ho则指出，“一旦我们确定我们拍摄到了阴影，我们就可以将我们的观测结果与广泛的计算机模型进行比较，这些模型包括扭曲的空间、过热的物质和强磁场的物理。观测图像的许多特征与我们的理论理解惊人地吻合。这使我们对我们的观测结果的解释，包括对黑洞质量的估计，充满了信心。”
CNN报道中还称，M87黑洞的质量之巨大，让这些研究人员有理由相信这可能是人类在地球上可观测的质量最大的黑洞。与其他物体相比，这个超大质量的黑洞其实体积非常小，这也就是为什么人类之前没有观察到这个黑洞的原因之一。黑洞的大小与质量直接相关——黑洞体积越大，阴影也就越大。研究人员表示，黑洞可能用肉眼是看不见的，但他们与周围物质相互作用的方式却泄露了“秘密”。
美国国家科学基金会主任弗兰斯·科尔多瓦（France Córdova）表示，“几十年来，黑洞一直在激发人们的想象力，他们具有奇异的特性，对我们来说非常神秘。然而，随着更多像我们这样的观察，黑洞正在泄露他们的秘密。这也使我们科学家和工程师们能够照亮未知，解释我们宇宙的微妙和复杂之处。”
刚刚，全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）同步召开全球新闻发布会，事件视界望远镜（EHT）发布了位于巨椭圆星系M87中心的黑洞照片，这也是有史以来首张黑洞照片。这项发现不仅让我们首次一睹黑洞真容，还让人类在引力极强的极端环境中验证广义相对论。
几十年来，天文学家已经公布了一大堆有关黑洞的观测数据和各种各样的照片，但那些照片拍到的都是黑洞周围的气体或其他物质，黑洞本身只是一个不可分辨的斑点；还有些照片拍到的只是从某个天体中倾泄而出的巨大能量，天文学家推测这个天体应该是黑洞。事实上，仅凭这些证据，我们甚至不能确定黑洞是否真的存在。
天文学家已经在天空中发现了一些质量足够大、密度足够高的天体，如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，它们就必定是黑洞。不过此前，我们始终无法确定这些天体是否拥有一个让物质只进不出的视界——这个视界才是定义黑洞的最重要特征。提出这一问题并非只为满足纯粹的好奇心，而是因为这样的视界涉及理论物理学中一个最深层次谜题的核心。显示黑洞事件视界黑暗剪影的照片，能帮助我们理解发生在黑洞周围的异乎寻常的天体物理过程。
直接观测黑洞，为什么这么难？
在很长一段时间里，直接观测黑洞困难重重。
一个显著的问题是，黑洞对于地球上的观测者而言实在太小了。现在天文学家认为，绝大多数星系的中心都存在超大质量黑洞，这些黑洞的质量可达数百万甚至数十亿倍太阳质量，有些黑洞的直径甚至超过我们的太阳系，而即使是它们，由于距离地球非常遥远，在天空中占据的角尺度也极小。距离最近的超大质量黑洞是人马座A*，位于银河系的中心，质量大约相当于400万个太阳。它的视界在天空中的张角只有50微角秒，大约相当于月球上的一张DVD。要想分辨角尺度这样小的天体，我们需要一架分辨能力比哈勃空间望远镜还要高2000倍的望远镜。
其次，只有很小一部分黑洞周围拥有大量气体可供吸积，因此能够被我们看到；银河系中的绝大多数黑洞迄今仍然未被发现。
不仅如此，我们到黑洞的视线还会因两种不同原因而被遮挡。首先，目标位于星系的正中心，在这里由气体和尘埃组成的稠密云团会封堵住大部分电磁波段。其次，我们想要探测的发光物体是由旋转着落向视界的高度压缩物质组成的灼热漩涡，这些物质本身对大部分波长的电磁辐射也是不透明的。因此，只有极狭窄的波长范围内的辐射，能够从黑洞边缘逃离，被地球上的观测者看到。
不过，在直接拍下疑似黑洞的直接影像之前，天文学家已经开发出多种技术，揭露了紧紧围绕疑似黑洞旋转的物质的种种性质及行为方式。
比方说，通过观察附近恒星的运行方式，天文学家就能称量出一个超大质量黑洞的重量，就像利用行星的轨道来给太阳称重一样。在遥远的星系里，超大质量黑洞附近的单个恒星无法分辨，但那些恒星的光谱能够揭示它们的速度分布，从而得出这个黑洞的质量。
天文学家还在黑洞附近发出的辐射随时间变化的模式当中，寻找广义相对论留下的记号。比如说，一些恒星质量的黑洞发出的X射线辐射，在亮度上会发生准周期变化，这一变化周期又与黑洞吸积盘最内侧附近理论预计的轨道周期十分接近。
在此之前，探测超大质量黑洞最富有成效的方法，是观测吸积盘表面铁原子发出的荧光。吸积盘携带着铁原子快速转动，再加上黑洞本身强大引力的作用，会使铁原子荧光的特征波长发生偏移，并扩散到某个波段范围。在快速自转的黑洞附近，吸积盘本身围绕黑洞旋转的速度会加快，因此这种辐射会展现出一种不对称性，从而泄露天机。
日本的“宇宙学及天体物理学高新卫星”（ASCA）和“朱雀”（Suzaku）X射线天文卫星已经观测到了这样的辐射，天文学家把这些观测解读为高速自转黑洞的直接证据，那些吸积盘中的轨道速度高达光速的1/3。
图中数值模拟结果显示，落向黑洞的物质应会产生能用来验证爱因斯坦引力理论的现象。
事件视界望远镜——直视黑洞的窗口
而要直接观测到黑洞，我们必须寻求口径更大的射电望远镜。事件视界望远镜（event horizon telescope，EHT）项目的目标正是通过国际合作来克服这些困难，对黑洞进行细致的观测。为了实现在地球表面观测所能达到的最高角分辨率，EHT采用了一项被称为“甚长基线干涉测量”（VLBI）的技术——天文学家利用位于地球不同位置的射电望远镜同时对同一目标进行观测，将采集到的数据分别记录在硬盘上，之后再利用超级计算机整合这些数据，得到一张图像。通过这项技术，分布在地球上不同大洲的许多望远镜组成了一架虚拟的、地球尺寸的望远镜。而望远镜的分辨能力由观测波长与望远镜尺寸的比值决定，所以VLBI通常可以在射电波段对天空进行高分辨率成像观测，分辨能力远超所有光学望远镜。
这次观测银河系中心黑洞的事件视界望远镜由8个射电望远镜或阵列组成，它们分别是：南极望远镜（SPT）、智利的阿塔卡马大型毫米波阵（ALMA）、智利的阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）、墨西哥的大型毫米波望远镜（LMT）、美国亚利桑那州的亚毫米望远镜（SMT）、美国夏威夷的亚毫米望远镜（SMA）、美国夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT），以及西班牙射电天文台的30米口径毫米波望远镜（IRAM）。
8架射电望远镜或干涉阵参与了此次观测。（图中IRAM布雷高原干涉仪未参与此次观测）每架望远镜都位于高海拔处，以保证地球大气对信号的吸收降到最低。利用全球范围的设备以及在毫米波段进行观测，该天线阵的有效角分辨率将达到数百万分之一角秒——足以看清月球上一张DVD。
我们银河系里的庞然大物人马座A*是EHT的第一个观测目标。这个黑洞距离我们“仅有”24 000光年，是天空中所有已知黑洞里看上去圆面最大的一个。一个10倍太阳质量的黑洞，距离我们必须比最靠近太阳的恒星还近100倍时，看起来才会跟人马座A*一样大。尽管宇宙中还存在着比人马座A*更大的超大质量黑洞，但它们都远在几百万光年以外。
在VLBI观测的波长上（接近于1毫米），银河系几乎是“透明的”，因此在观测人马座A*时，EHT在视线方向上受到的气体干扰是最小的。相同波长的电磁波还能够穿透落向黑洞的物质，让我们能够深入到人马座A*视界周围最靠近内部的区域。而且非常巧合的是，一架地球尺寸的望远镜在毫米波段的分辨能力刚好能够分辨距离我们最近的超大质量黑洞的视界。
甚长基线干涉测量技术拍摄的第二个目标，是据信位于巨椭圆星系M87中心的黑洞。这个黑洞距离地球5500万光年，6月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的卡尔·格布哈特（Karl Gebhardt）和德国加尔兴马普地外物理研究所的延斯·托马斯（Jens Thomas）合作，测定出这个黑洞的质量相当于64亿颗太阳——足以使它剪影的直径“膨胀”到人马座A*剪影的3/4。
黑洞及周围结构图
黑洞剪影
EHT此次公布的发现，来自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”，是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时，从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线，会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线，就连处在黑洞正后方的物质发出的光线，都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。
由此产生的黑色剪影就是所谓的“黑洞大头照”——在这张照片上，黑洞完全是一团漆黑，可谓名副其实。这个阴影不会是一个对称的圆盘，这主要是因为周围气体的旋转速度极高，几乎要接近光速。如此高速运动的物质发出的辐射会发生多普勒频移，辐射方向也会向物质运动的方向汇聚而形成一个狭窄的光锥。因此，在旋转气体朝向我们运动的一侧，辐射会大大增强，而在背向我们运动的另一侧，辐射会大幅减弱。这样一来，出现在圆盘状黑暗剪影周围的就不会是一个完整的亮环，而是一个新月状亮弧。只有在我们的视线恰好与吸积盘旋转轴重合的情况下，这样的不对称才会消失。
黑洞本身的自转也会产生类似效果，但自转方向可能与吸积盘旋转的方向不同。因此这样的照片能让天文学家确定这个黑洞自转的方向，以及吸积盘相对于黑洞自转的倾斜角。这两个参数对天体物理学来说同等重要，这些数据将为吸积理论提供无价的观测输入，彻底解决气体密度和吸积流内边缘几何结构的问题。
验证广义相对论
这次发现，让我们在黑洞边缘这样引力极强的环境下验证广义相对论。
1973年，霍金等人提出了黑洞无毛定理。根据这一定理，任意被视界包裹的黑洞都可以被三个物理量完整地描述：质量、自旋和电荷。换言之，任意两个黑洞，只要质量、自旋和电荷都相等，那么这两个黑洞应该是完全一样的，就像两个电子一样是不可区分的。根据该定理的描述，黑洞是没有“毛发”的，没有任何几何上的不规则性或其他可区分的性质。
如果无毛定理是错的，广义相对论至少需要得到修正。对这一定理的数学证明没有留下任何回旋的余地。
最初考虑利用VLBI对黑洞进行成像观测的时候，我们认为可以利用黑洞“阴影”的形状及尺寸来了解黑洞的自转速度及其自转轴的方向。然而，数值模拟却给了我们一个意外的惊喜：在模拟中，无论我们如何改变黑洞的自转速度以及虚拟观测者的位置，黑洞的“阴影”总是呈现为近似圆形，并且其尺寸大约为视界半径的5倍。由于某一幸运的巧合——或者有某一尚未被我们发现的深层次物理规律，不管我们如何改变模型中的参数，黑洞“阴影”的大小和形状都保持不变。
这一巧合对于我们验证爱因斯坦的理论是极有利的，因为它仅在相对论成立的前提下出现（见下图）。而对人马座A*的观测结果显示，其“阴影”的大小或形状与我们的预言相吻合，这进一步印证了无毛定理——进而也验证了广义相对论。
这次发现无疑帮助我们确认，爱因斯坦的广义相对论——特别是它关于黑洞的预言——将毫发无损地再成立一个世纪。
今天注定是天文学和物理学界的一个重要日子。有6 场国际新闻发布会安排在了这一天，在这些发布会上，我们见证了人类有史以来所拍得的第一张黑洞照片的公布。
美国东部时间4 月10 日上午9 时（北京时间10 日21 时），事件视界望远镜组织（Event Horizon Telescope Collaboration， 以下简称EHT）在美国华盛顿，比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京等世界六地同步发布这张人类期待已久的照片。
发布的图片显示了黑洞转动产生的多普勒效应。
该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”，这个阴影告诉我们：爱因斯坦是正确的！
该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致，在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。中国科学院上海天文台研究员袁峰在现场表示，现在看到的照片大体来说有两个部分，一部分是中心区域不太发光的阴影，另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。圆环发的光就是从吸积盘上发出的，而黑色的阴影要比黑洞本身要大几倍，这证实了爱因斯坦广义相对论的预言。
第一次真正地凝视深渊
“黑洞是广义相对论预言了很多年的存在。目前，我们在理论上一直猜想黑洞是实际存在的，而且也在观测中取得了一些进展。但现在我们能够真正看到它的存在，这件事情非常值得期待的”。在发布会召开之前，DeepTech 联系了中国科学院国家天文台研究员陈学雷，他在解读此次发布会意义时如此说道。
1915 年，广义相对论作为爱因斯坦提出的革命性理论之一问世。在这个理论中，爱因斯坦提出，物质会扭曲或弯曲时空的几何结构，人类以重力的形式感受到这种时空扭曲，而黑洞正是爱因斯坦理论的首批预测之一。
之后的百余年来，无数的影视作品、科幻小说将黑洞作为宇宙神秘、迷人、凶险的重要意象之一，把它带到普通大众的认识中，包括诺奖得主基普·索恩和已故物理学家霍金在内，他们都曾专门著书阐述黑洞的奇幻场景。
图丨一部法国电视纪录片视频中的黑洞影像，包括了多普勒失真和不对称效果（来源：JA MARCK / J。-P。LUMINET）
但它始终都像是一个遥远外太空的“都市传说”，人类迎来了一批又一批黑洞存在的间接证据：附近恒星轨道的引力摆动、星际气体云的变化、气态射流喷出等等。一些超大质量黑洞隐藏在宇宙中各大星系的核心区域，但即使是爱因斯坦本人也不确定它们是否真的存在。
荷兰拉德堡德大学的射电天文学家Heino Falcke 曾如此评价黑洞：“它们是空间和时间的终点，可能也代表着人类知识的最终极限。”
而第一幅真正的黑洞影像，将掀开笼罩黑洞的第一层“面纱”，使其从原本神秘的东西转变成人类可以学习的实体，其中最值得期待的部分可能是这张图片对于广义相对论的验证。发布会之前，人们就期待这张事件视界的图片能够用以检验黑洞物理学的基础理论，比如测量事件视界的形状和大小，能帮助验证很多天文和物理上与黑洞有关的理论。此外，天体物理学家还希望EHT 的数据能够帮助他们解释黑洞两边以接近光的速度喷出巨大的物质流（喷流）。
图丨电影《星际穿越》的黑洞Gargantua，由伦敦的视觉特效公司Double Negative 制作（来源：London。AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO）
我们都知道，黑洞是宇宙中一种质量异常大的特殊天体，质量可达太阳的几百亿倍。它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后，发生引力坍缩而形成。它巨大的质量，产生了巨大的引力，以至于任何接近黑洞的物体都无法逃脱它的引力。就连传播速度最快的光也无法逃逸出来。
黑洞会吸收所有的电磁辐射，这意味着无论是我们用来接收来自天体的无线电波的射电望远镜，还是探测地球大气层以外的源所发射的X 射线、并将其分辨为一个图像的X 射线望远镜，用于收集可见光的，便于目视观测、拍摄的光学望远镜，甚至用运行于地球低轨道的、进行大面积巡天以研究天文物理或宇宙论现象的费米伽玛射线太空望远镜，都无法真正探究黑洞的模样。
图丨Nature 此前发布的预计第一张黑洞图片（来源：Nature）
在黑洞的周围，是一个无法侦测的事件视界（event horizon）。它是光得以逃离黑洞的最近距离，所以事件视界之内是无法被侦测到的，有如漆黑一片，故名黑洞。事件视界的存在，使黑洞无法被直接观测。不过，黑洞周围却有着一圈可被观测的物质。这些物质围绕黑洞高速旋转，形成了一个圆盘，天文学家称它为吸积盘（accretion disk）。
（来源：Sunshine Lighthouse）
吸积盘是黑洞的光环，这个明亮的环中间漆黑一片，听起来并不像土星光环那样和谐美丽。而且如果我们去观察吸积盘，会发现它被扭曲了。这是因为黑洞对光线有很强的弯折能力，位于黑洞背面的吸积盘发出的光，也会绕到前面来被我们看到。
虽然我们无法看到黑洞内部，但如果黑洞的后面有明亮的背景，我们却可以看到黑洞吸收形成的影子，看上去正是“黑洞洞”的。黑洞附近超高温气体可以发出波长约为毫米级的无线电波，可以穿透星系中的气体并抵达地球。
陈学雷则对DeepTech 表示，这张图片可以帮助了解黑洞周围以及黑洞本身的信息，比如它的质量、自旋和它对周围的影响等。而在验证广义相对论上，“如果预测不完全一致的话，我们可以期待是不是有更深层的理论能够解释其中一些不一致的现象。在广义相对论提出之后，科学家们也产生了很多修改的理论，和此前的一些理论相比更复杂一些，通过这次观测，我们可以观察实际的情况会不会有所不同”。另外，他还提到，除了验证广义相对论以外，其他的物理理论，如经典相对论，也可以得到检验。如果再考虑到量子力学，我们还需要用原子级别的照片去检验模型，当然，这就需要非常高精度的照片才能实现。
图丨根据广义相对论，太阳会弯曲时空使行星绕着它运行，中子星会使时空弯曲更厉害，而一个黑洞则会在时空中制造一个深坑，即使是光都无法逃脱（来源：JAMES PROVOST）
除了照片上的信息外，团队收集到的原始数据可能还有其他的研究价值。“就像是淘金，发布的照片就像是最后从沙子里淘出来的金子。当然，这些原始数据可能还有一些其他的价值，可能后续有人能继续从中淘出新的金子来”，陈学雷说。
简而言之，在这浩瀚的时间长河中，每一次新的宇宙发现，都让人类感受到自己的渺小。而黑洞中是绝对的死亡还是永生，在今后的漫漫长路中揭晓。随着这张照片的诞生，人类又拥有了更多的机会检验那些曾经被认为“不可检验的”的理论，继续凝视宇宙和生命的深渊。
Mission Impossible：我们需要一个与地球等大的望远镜
和此前LIGO 探测引力波类似，这张可能是今年最重要科学发现的照片诞生背后，也有一个庞大且出色的全球化科研团队以及强大的大科学装置，并耗费了2 年的时间才最终问世。
年，天文学家们发起了一项名为“视界望远镜（EHT， Event Horizon Telescope）”的国际观测项目。EHT 动用了位于世界各地的8 个独立射电望远镜，这些望远镜组成了前所未有的大型望远镜阵列，包括亚毫米波望远镜（SMT）；IRAM 30 米望远镜；APEX 望远镜；James Clerk Maxwell 望远镜（JCMT）；大毫米波望远镜（LMT）；次毫米波阵列望远镜（Submillimeter Array，SMA）；阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array， ALMA）；以及南极望远镜（SPT）。
图丨事件视界望远镜是由全球八大望远镜组成（来源：APEX， IRAM， G。 Narayanan， J。 McMahon， JCMT/JAC， S。 Hostler， D。 Harvey， ESO/C。 Malin）
在VLBI 技术（甚长基线干涉测量）的帮助下，8 个望远镜模拟出了一个地球大小的巨型望远镜，达到了它的最佳分辨率：20 个微角秒，用来观测黑洞还刚刚够，但是得到的图像十分模糊。
EHT 于 年4 月首次全面运行，并且在那一次的运行中就取得了全部的黑洞数据。期间，8 台射电望远镜对准了一个位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sagittarius A*），以及一个M87 星系中心的黑洞。其中，人马座A*位于银河系的中心，质量约为太阳质量的四百万倍；另一个更大的黑洞是处女座星系的M87 黑洞（Messier 87），质量是太阳质量的70 亿倍。
尽管它们都十分巨大，在EHT 的照片上却很小。据一位在EHT 工作的天文学家说，人马座A*黑洞的大小大约是50 个微角秒（角度单位）的宽度。一个微角秒大概是从月球上看地球上一篇文章末尾的句号的大小。
最终，EHT 对两个黑洞总共观测了约5 个夜晚，产生了4PB 的数据（转换成MP3 格式需播放8000 年才能听完）。采集的数据量如此之大，这也是为什么时隔两年后大众才有机会一睹黑洞的全貌的原因。
在照片问世的过程中，不同的望远镜要对各自采集的数据进行时间和相位的重新矫正，以实现多个数据的同步。这本身就是一项繁琐的工作，而数据的后期处理更加耗费精力。如此巨量的数据，网络带宽不够传输，研究人员转而将数据拷贝到硬盘上，通过快递硬盘实体来交换数据，这竟然成为了比网络传输更快的方式。
（来源：J。 A。 MARCK/J。-P。 LUMINET）
因此，团队在过去两年里不断地分析、校准和关联数据。在巴黎天文台工作、专注于黑洞可视化研究的法国天文学家Jean-Pierre Luminet 在Science 的采访中也表示，黑洞“可视化”的难点在于要将一个本身在定义上就不可见的物体“实体化”。他在此前曾多年从事包括为影视作品用计算机模拟黑洞的专业黑洞可视化工作。
运输不便，加上巨量的分析任务，让这个宇宙中的鬼魅时隔两年才与世人相见。
但在研究过程中，研究团队的成员们对此充满信心。在一次TED 演讲中，EHT 研究人员、来自麻省理工学院的凯蒂·伯曼曾如此介绍她的感受——“在项目开始时我没有任何天文学背景知识，但团队通过这一独特合作所达成的成就，可让世界上第一幅黑洞照片诞生”。
图丨凯蒂·伯曼（来源：TED）
据她介绍，团队要观察的黑洞离地球太过遥远。“从地球上看，它非常、非常小——大概就和月球上的一个橘子一样大。这导致给它拍照变得无比艰难……我们可以轻易得出所需的望远镜的大小：就和整个地球一样大”。
但是，建造一个地球大小的射电望远镜是不可能的。她选择相信米克·贾格尔的一句名言——“你不可能永远得到你想要的东西，不过有时候你试一下，说不定正好找到你需要的东西。”
正如我们所见，后来，EHT 选择将遍布全世界的望远镜连接起来，团队中的计算机学家们则开发出特别的图片算法，基于望远镜提供的散乱而充满干扰的数据，生成最终的图片。
凯蒂·伯曼认为，像EHT 这样的项目能够成功，正是不同学科的研究人员用各自的专业知识一起创造的结果。
“我们是一个由天文学家、物理学家、数学家和工程学家构成的大熔炉。这就是我们能够很快达成一个看起来不可能达成的成就的原因……在此，我想鼓励你们所有人，走出去，推动科学的边际，尽管刚开始它可能看起来和一个黑洞一样神秘”，她说。
图丨1610 年1 月7 日，伽利略用自制的望远镜发现了围绕着木星的四颗卫星。大约400 年过去，我们观察宇宙的“眼睛”和“视野”正在走向极限。
