黑洞照片证明爱因斯坦是对的

2019年4 月 10 日，注定是天文学和物理学界的一个重要日子。

事件视界望远镜组织（Event Horizon Telescope Collaboration, 以下简称 EHT）在世界上六个城市同步发布了人类有史以来所拍得的第一张黑洞照片。

这张照片展示了室女座星系团中一个超大质量星系中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量是太阳的65亿倍。

目前我们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。

照片中心的暗弱区域就是“黑洞阴影”，这个阴影告诉我们：爱因斯坦是正确的！或者说，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。

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。不同于牛顿物理学对时间和空间的认识，爱因斯坦把时间和空间视为四维时空，把引力视为时空结构的扭曲。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。而广义相对论的首批预测之一，就包含了黑洞。爱因斯坦认为，当一个天体的质量被压缩到足够小的范围，这些质量就能进入事件视界，连光也逃不出来。

一般认为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。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接收无线电波的射电望远镜，还是探测X 射线的射线望远镜，或用于收集可见光的光学望远镜，甚至用运行于地球低轨道的太空望远镜，都无法真正探究黑洞的模样。

在广义相对论发表后的百余年来，无数的影视作品、科幻小说都将黑洞作为宇宙神秘、迷人、凶险的重要意象之一。把黑洞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。

比如，按照霍金的黑洞理论，它认为越是接近黑洞的中心时间流速也就越慢。或许我们通过黑洞可以实现时间旅行这一目标。

但黑洞又像是一个遥远外太空的“都市传说”，隐藏在宇宙中各大星系的核心区域，即使是爱因斯坦本人，也困惑过它们是否真的存在。直到近些年，人类才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。

而第一幅真正的黑洞影像，才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。

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）。

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。

根据这个原理，2016 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，这些望远镜通过组合模拟出了一个地球大小的巨型望远镜，以达到它的最佳分辨率。

EHT 于 2017 年 4 月首次全面运行，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。

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。

因此，团队在过去两年里不断地分析、校准和关联数据。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。

需要再次说明的是，尽管黑洞十分巨大，但科学家团队要观察的黑洞离地球太过遥远。就相当于从地球上看月球上的一个橘子。这导致给它拍照变得无比艰难，以至于需要望远镜的口径和整个地球一样大。但是，建造一个地球大小的射电望远镜是不可能的。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，基于各个望远镜提供的散乱而充满干扰的数据，生成最终的图片。所以说，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。

今天这张图片是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的真实照片，也是人类拍摄的首张黑洞照片。它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。

在黑洞照片发布首日，中科院上海天文台副研究员左文文写下这样一段文字：“如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片，那么非黑洞照片莫属。”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的广义相对论。