芝麻世界 今年的诺贝尔物理学奖再次花落天体物理学，一半授予罗杰·彭罗斯，其获奖原因是“发现黑洞形成是广义相对论的有力预测”；另一半授予根泽尔和盖兹，表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体”。3位获奖者的工作均与黑洞有关。那么，科学家是怎样给黑洞拍照的呢？请听中科院上海天文台团委书记左文文在 “造就Talk”上的演讲。
“看见”黑洞，一直是人类的梦想。
在宇宙中的每一个大质量星系里，包括我们的银河系，都存在着一个超大质量的黑洞。科学家们已经通过一些间接的方法，比如观察它周围的恒星气体发出的光，或者两个黑洞因碰撞与合并产生的引力波，来确定黑洞的存在。就好像我们看不到风，但是可以看到风吹动落叶、旗帜，来判断风的存在。
可是，我们还不满足。人类的好奇心和探索欲驱使着我们想要知道：黑洞究竟长什么样子？可不可以直接看到黑洞？这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。
黑洞，它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中，周围的气体一边旋转一边向黑洞中心掉落，最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带，我们称之为“吸积盘”。还有一些气体没有被吸进去，这些气体很可能会向外喷射出去，产生喷流。
所以，黑洞其实并不是全黑的，在黑洞的周围，有吸积盘、喷流，这些物质都会产生光。
在黑洞周围的一定区域内，叫作“事件视界”。黑洞视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝开来。在黑洞视界附近，引力非常强，以至于连光线都弯曲了，围着黑洞绕圈，进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗，所以称作阴影。
这个光环的半径有多大呢？在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域，会形成一个光环。所谓黑洞的半径，大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。
换算成数值的话有多大呢？在我们的银河系中心，有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。如果是一个太阳质量的黑洞，其势力范围是3000米，那么410万个太阳质量的黑洞，势力范围就是1200万千米。用上面提到的2.5倍换算一下，就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。
那么，它距离我们有多远呢？26000光年，相当于250亿亿千米。在这么远的距离，我们该如何拍到一个直径7000多万千米的光环呢？
其实，我们人类的眼睛就是一个小型望远镜，只是我们看东西用的是可见光波段。如果我们在可见光波段去观测这个黑洞，望远镜的口径需要造到6千米那么大；如果用红外波段去观测黑洞，望远镜的口径得造到15千米。
事实上，目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜，口径也就10米那么大，要从10米跳跃到6000米，可不是通过努力就能实现的飞跃。地球上那么大的单个望远镜造不出来，但我们有一种技术，叫作VLBI——甚长干涉测量技术。这种技术的原理是这样的：假设地球上有4台望远镜，设在东南西北4个方向上，这时候我们共同构成的这个等效望远镜，它的等效口径相当于最远的两台望远镜之间的距离。
通过这样的技术，我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起，在全球6个地点设了8个台站，构成了一个事件视界望远镜（EHT）的网络。
科学家们对两个黑洞进行了拍照，一个是银河系的黑洞，还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。
2017年，我们花了10天时间共同进行拍照，获得了海量的数据。这些数据有多大？M87星系中心的黑洞照片数据，大小有3500T。1T是1024个G，我们平常看的高清电影，最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影，从早看到晚，一个人要300年才能把这些数据看完。
因此，我们花了近两年的时间，才完成了数据处理。2019年4月10日，这张黑洞的照片，终于发布出来了！
在这张照片的背后，有一个很强的团队，由全世界200多名科学家组成。其中，来自中国内地的科学家有16位，他们在参与EHT合作之前，已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作中有了诸多积累。
从前期的国际合作的推动，到望远镜使用时间的申请、去4000米海拔的望远镜场地进行现场观测，再到数据的相关处理、分析及后期论文的写作，全程都有中国科学家的身影。
（原载于《解放日报》 2020-10-30 18版）
今年的诺贝尔物理学奖再次花落天体物理学，一半授予罗杰·彭罗斯，其获奖原因是“发现黑洞形成是广义相对论的有力预测”；另一半授予根泽尔和盖兹，表彰他们“发现银河系中心有一个超大质量致密天体”。3位获奖者的工作均与黑洞有关。那么，科学家是怎样给黑洞拍照的呢？请听中科院上海天文台团委书记左文文在 “造就Talk”上的演讲。
“看见”黑洞，一直是人类的梦想。
在宇宙中的每一个大质量星系里，包括我们的银河系，都存在着一个超大质量的黑洞。科学家们已经通过一些间接的方法，比如观察它周围的恒星气体发出的光，或者两个黑洞因碰撞与合并产生的引力波，来确定黑洞的存在。就好像我们看不到风，但是可以看到风吹动落叶、旗帜，来判断风的存在。
可是，我们还不满足。人类的好奇心和探索欲驱使着我们想要知道：黑洞究竟长什么样子？可不可以直接看到黑洞？这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。
黑洞，它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中，周围的气体一边旋转一边向黑洞中心掉落，最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带，我们称之为“吸积盘”。还有一些气体没有被吸进去，这些气体很可能会向外喷射出去，产生喷流。
所以，黑洞其实并不是全黑的，在黑洞的周围，有吸积盘、喷流，这些物质都会产生光。
在黑洞周围的一定区域内，叫作“事件视界”。黑洞视界将它的内部与我们可见的宇宙隔绝开来。在黑洞视界附近，引力非常强，以至于连光线都弯曲了，围着黑洞绕圈，进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗，所以称作阴影。
这个光环的半径有多大呢？在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域，会形成一个光环。所谓黑洞的半径，大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。
换算成数值的话有多大呢？在我们的银河系中心，有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。如果是一个太阳质量的黑洞，其势力范围是3000米，那么410万个太阳质量的黑洞，势力范围就是1200万千米。用上面提到的2.5倍换算一下，就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。
那么，它距离我们有多远呢？26000光年，相当于250亿亿千米。在这么远的距离，我们该如何拍到一个直径7000多万千米的光环呢？
其实，我们人类的眼睛就是一个小型望远镜，只是我们看东西用的是可见光波段。如果我们在可见光波段去观测这个黑洞，望远镜的口径需要造到6千米那么大；如果用红外波段去观测黑洞，望远镜的口径得造到15千米。
事实上，目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜，口径也就10米那么大，要从10米跳跃到6000米，可不是通过努力就能实现的飞跃。地球上那么大的单个望远镜造不出来，但我们有一种技术，叫作VLBI——甚长干涉测量技术。这种技术的原理是这样的：假设地球上有4台望远镜，设在东南西北4个方向上，这时候我们共同构成的这个等效望远镜，它的等效口径相当于最远的两台望远镜之间的距离。
通过这样的技术，我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起，在全球6个地点设了8个台站，构成了一个事件视界望远镜（EHT）的网络。
科学家们对两个黑洞进行了拍照，一个是银河系的黑洞，还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。
2017年，我们花了10天时间共同进行拍照，获得了海量的数据。这些数据有多大？M87星系中心的黑洞照片数据，大小有3500T。1T是1024个G，我们平常看的高清电影，最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影，从早看到晚，一个人要300年才能把这些数据看完。
因此，我们花了近两年的时间，才完成了数据处理。2019年4月10日，这张黑洞的照片，终于发布出来了！
在这张照片的背后，有一个很强的团队，由全世界200多名科学家组成。其中，来自中国内地的科学家有16位，他们在参与EHT合作之前，已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作中有了诸多积累。
从前期的国际合作的推动，到望远镜使用时间的申请、去4000米海拔的望远镜场地进行现场观测，再到数据的相关处理、分析及后期论文的写作，全程都有中国科学家的身影。
（原载于《解放日报》 2020-10-30 18版）
文章来源于互联网中科网:人类是怎样“看见”黑洞的 更多科普知识，欢迎关注芝麻网！
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