【黑洞】黑洞的照片是怎么拍出来的

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精华笔记 

今天这一集我来给你讲讲看黑洞的证件照是怎么拍出来的？我之前一直在跟你说黑洞这个概念，它其实是爱因斯坦广义相对论算出来的一个推论，是一个预言，但实际上我们一直都没有直接观测到黑洞。我们在电影当中看到黑洞其实都是艺术特效，现实当中真正的黑洞大概不长这样。电影当中你看到的黑洞都特别酷炫，下面是《星际穿越》里最著名的一个电脑合成的黑洞的镜头，看上去的确非常具有艺术性和美感。

首先我们要回答一个问题，之前一直在说黑洞是黑的，它没有任何光可以跑出来，即便我们对着它拍照应该是一团漆黑。这种情况下，它并不是照相技术可以解决的问题。比方说在非洲非常流行的某中国品牌的手机，拍黑人也很清晰，不是这个问题。黑洞它真的是纯黑的，理论上你对着它拍，根本拍不到它是长什么样。那这张黑洞的照片是怎么拍出来的呢？其实我们拍的不是黑洞，而是黑洞的外围，就是我们把黑洞的周围的情况给拍下来，然后中间缺失的那一块黑色的圆形的东西，就是黑洞？

那为什么拍黑洞的外围是可以的呢？我们要来进行一些逻辑上的推理。首先黑洞是因为引力特别大，导致在黑洞里面的东西，哪怕达到光速都没办法跑出来。现在如果你在黑洞外面，比方说就在黑洞的视界线之外，但离视界线非常的近。你又要不被黑洞吸进去，你的速度就必须非常的快，要接近光速。所谓视界线的定义，就是跨过了视界线，你达到光速也出不来，但是在世界限之外，你达到或者很接近光速，就不会被黑洞吸进去了。所以说黑洞的外围，一定有非常多速度接近光速的物体，其中肯定有很多非常明亮的光线。因为这些光没有进入视界线，所以它只能在黑洞的外围运动。所以我们去拍照，它的长相一定是个光圈，就像一个戒指一样，里面是黑的，外面全是光。

所以说本质上去拍照就是拍这个光圈。那么这个拍照到底是怎么样去拍的呢？首先我们要明确一点，所谓黑洞的照片，不是去拍可见光。真正的可见光，它距离我们这么远，在传递到我们地球上，他中间要通过很多阻碍。比方说可见光当它通过一个星系的时候，可能就已经被其他的星球吸收了。所以我们一定要去选择某一个频段的电磁波，它能够比较好的穿越到地球上。那么这个波段是什么波段？其实就是所谓的毫米波，跟我们的5G信号比较像，所以本质上我们就是去捕捉那些黑洞发出的5G信号。我们是接受到这些波的信号之后，再通过超级计算机把它倒推回去，它其实是算出来的一张照片，不是真的用一个照相机去对着它摁快门。

具体怎么样去收集黑洞发出的5G信号呢？我们知道普通的照相机基本是镜头的口径做得越大，它就能让图像越清晰，因为射入的光多，你得到的信息就越多，才能拍到一张清晰的照片。拍黑洞也是一样，黑洞离我们太远了，你为了收集这些电磁波，用一个正常的照相机口径肯定是不够大。这一次对于黑洞照片的拍摄，我们用到了一个多大口径的照相机呢？它的口径跟地球的直径一样大，当然我们不用真的造一个跟地球一样大的镜片，它其实是全世界各个地方八个天文台共同配合的结果。在地球的八个不同的地方，用八台不射电天文望远镜，同时对准黑洞的方向进行电磁波的收集，我们就相当于拥有了一个跟地球口径一样大的“镜头”。当然这个“镜头”是打引号的，只有这样才能把黑洞所发出的信息收集到。

而且拍摄的过程是非常讲究的，需要非常精细的操作，为什么？首先，选择拍哪个黑洞非常重要。这个黑洞不能太小，也不能太远，要保证黑洞外围的电磁波能够被充分地接收到。所以当时是二选一，有两个黑洞是我们的目标对象，其中一个比较远的黑洞距离我们5500万光年。但是它的质量非常大，有60亿个太阳那么大；第二个选择是一个比较小的，只有400万个太阳那么大的黑洞，但它距离我们只有25000光年，这个比5500万光年就近多了。我们知道离我们越远，它的光强度就越弱，所以这两个黑洞清晰度其实应该是差不多的，一个大但是很远，一个小但是很近。最终权衡拍摄难度，我们选择了前者，这个黑洞位于所谓的M87星云。

选取了黑洞之后，有一个限制条件就是望远镜能去观测的时间其实非常短，一年当中只有差不多十天左右，全球的望远镜才能一起对准这个黑洞。因为地球除了自转之外它还有公转，所以一年的窗口期大概只有十天，对应于2017年的4月4日到4月15日之间。

除此之外，这八台天文望远镜的时间一定要调得非常同步，因为电磁波的信号速度是非常快的，如果大家时间每调准的话，比如两个望远镜收到的信号中间差了一秒钟，它们在比对信息的时候就没有办法做很好的校对，所以这八台望远镜一定要严格的时间同步。这个是用所谓的原子钟做到的，原子钟的精度已经到了飞秒级别，就是小数点后面15个零，可以精确到这个程度。那么当时的拍摄持续了七天时间，从2017年的4月4日一直拍到4月11日，总共收集了7000TB的数据。7000TB什么概念？一部高清电影的大小大概是2G，7000TB可以存储350万部这样的电影。 7000TB的数据收集出来之后，超级计算机经过了一年多时间的分析，最终才合成了我们看到的这一张人类历史上第一张黑洞的照片。

最终效果是比较失望的，很多网友调侃，这不就是我家蜂窝煤吗？你看跟烧着的蜂窝煤是非常像的。拍摄黑洞的这个项目叫做EHT项目，中国其实对这个项目有一个贡献，本来我们想提供一台天文望远镜，叫做天眼，但是因为它的地理位置没有办法跟八台望远镜联动，所以我国并没有参与实际的拍摄，但是在提供资金、电脑建模和数据分析方面，中国都有比较大的贡献。

总结一下，这一集我们说了给黑洞拍照，本质上是去拍黑洞的外围。因为黑洞的外围它肯定是有非常明亮的光线照射出来的，然后黑洞的拍摄过程本质上不是去拍它，而是去接受它发出来的差不多跟5G信号同一个频段的电磁波，再通过大量的数据分析去反向计算出来的黑洞的形象。

最后我想请你来回答一个问题，请你思考一下，你觉得拍摄黑洞照片的意义是什么？我可以提示一下，这里面的意义其实是非常重大的。你可以先自己思考一下，然后我们可以在留言区进行一些讨论。