大約在50年前，天文學家就已經發現銀河系中心方向有個在多波段都很明亮的異塵餘生源，稱為人馬座A*（人馬座A中的致密射電源）。而且通過觀測銀河系中心附近的星體的運動速度，可以知道這個銀河系中心還具有很強的引力，這個引力能使它周圍的恆星飛速繞其旋轉，最快的公轉周期僅僅20年，而我們的太陽系繞銀河系一圈需要大約2.3億年。天文學家推測，銀河系中心是一個大黑洞，而且這個大黑洞正在吸積周邊的物質。
幾乎每個星系的中心都有一個大質量黑洞，比如，這次新聞發布會公布的就是我們鄰近星系M87的中心黑洞。
為什麽拍攝黑洞很難？
銀河系中心的黑洞距離我們地球26000光年，其質量大約是太陽質量的400萬倍。（而M87星系的中心黑洞距離我們約5500萬光年，質量為太陽的65億倍。二者都是科學家的探測目標。）
在差不多100年前，天文學家史瓦西就已經給出了廣義相對論中的第一個黑洞解——史瓦西解。史瓦西解描述了一個靜態球對稱的黑洞周圍的時空性質。通過史瓦西解可以算出，1倍太陽質量的黑洞半徑大概是3公里。由此可以估算，銀河系中心的黑洞的半徑大約是1200萬公里。我們知道，太陽的半徑大概是70萬公里，所以銀河系中心黑洞的半徑大約是太陽半徑的17倍。
半徑1200萬公里看起來好像是一個很大的尺寸，但是，相對於銀河系中心距離地球的26000光年來說，這個1200萬公里所對應的視角實在是小得可憐。因此，在地球上拍銀河系中心的黑洞照片，因為距離實在太遠，相當於在地面上拍攝月球上的一個豌豆，難度之大逼迫科學家不得不開發一個口徑與地球一樣大的天文望遠鏡——這就用到了所謂的甚長基線干涉測量技術（very long baseline interferometry，簡稱VLBI），其工作模式相當於把分布在全球的射電望遠鏡整合起來，做成一個整體來測量遠方的天體。
拍攝黑洞用到了什麽技術？
據了解，上海天文台的安濤研究員等人一直在參與甚長基線干涉測量的數據處理工作，這部分工作需要用到中國的超級計算機天河二號等設備，因為多個射電望遠鏡之間的協調配合需要精確計算，尤其是時間上必須同步，否則各自測量到的信號不具有同時性，那麽也就無法做進一步的分析。
由於黑洞的勢力範圍叫做“事件視界”（落入其中的物質會被強引力吞噬，就連光也無法逃逸），因此用來觀測與拍攝黑洞的射電望遠鏡又被稱為“事件視界望遠鏡”。全球各地眾多望遠鏡聯合而成的“事件視界望遠鏡”，其相機的有效面積相當於我們地球的圓面。
這次觀測銀河系中心黑洞和M87星系中心黑洞的事件視界望遠鏡由8個分布在世界各地的射電望遠鏡組成，它們分別是南極望遠鏡，智利的阿塔卡馬大型毫米波陣和阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡，墨西哥的大型毫米波望遠鏡，美國亞利桑那州的亞毫米望遠鏡、夏威夷的亞毫米望遠鏡和麥克斯韋望遠鏡，以及西班牙射電天文台的30米口徑毫米波望遠鏡。
天文望遠鏡的分辨率與望遠鏡的口徑成反比，同時與觀測波長成反比。從口徑角度來說，在用單反照相機照相的時候，追求大光圈可以提高分辨率也是這個原因。而從觀測波長來說，射電波段頻率在30MHz-300GHz，射電的波長在毫米到厘米級別，而可見光的波長在微米級別，因此如果想要在射電波段獲得和可見光波段可比擬的分辨率，相當於要把照相機放大成口徑為幾千米的射電望遠鏡，這在實際工程建造中幾乎不可能。
因為射電望遠鏡的口徑如果過大，重力、溫度、風力等因素都對望遠鏡自身應力改變帶來巨大影響，過大的天文望遠鏡的支撐與軸承壓力很大，因此單口徑射電望遠鏡無法做到很大——目前在貴州的FAST射電望遠鏡已經做到了大尺寸的極限，其口徑也只有500米——離幾千米還有很遠的距離。因此，想要建造單口徑上千米的單體望遠鏡在實際上顯然是不可能達到的。
在這個困境中，VLBI技術將望遠鏡分布在全球不同位置，這就相當於創造了一個口徑與地球大小相當的“虛擬望遠鏡”，通過後期數據處理，得到的分辨率大幅提高。VLBI技術中，望遠鏡之間的距離被稱為基線，基線越長，形成的干涉望遠鏡陣列的分辨率越高。美國、歐洲和亞洲均已建成基線達幾千公里的VLBI觀測網。
有了VLBI觀測網，剩下的關鍵問題在於，黑洞是不發光的，那麽怎麽給黑洞拍照呢？
為什麽能拍到黑洞？
黑洞本身雖然不會發光，但因為其具有極強的引力，所以會吸積周邊的星際物質，在被吞噬之前會圍繞著它旋轉並持續閃耀——這種“兔子隻吃窩邊草”的行為使得黑洞看起來似乎在發光。從物理上來說，這些星際物質在被黑洞吸積的過程中會旋轉加速，而經典的電磁理論告訴我們加速的電荷是會發光的。所以，在地球上的科學家可以通過觀測這些吸積物質發的光，從而間接觀測黑洞的輪廓——從這個意義上來說，事件視界望遠鏡能看到的光異塵餘生其實不是黑洞本身發出來的，而是黑洞吸積的物質發出來的。
並且，黑洞吸積的時候不但發出可見光，也發出X射線與射電信號。其中射電信號的波長一般在幾毫米到幾厘米之間，因為它的波長比星際塵埃的尺寸要大，所以能夠繞過星際塵埃一直傳播到我們地球。而可見光則很容易被星際塵埃阻擋。
在地球上還存在很厚的大氣層，這使得X射線不能穿透大氣層到達地面，所以所有的X射線波段的天文望遠鏡都是安裝在外太空的衛星上。而射電信號卻可以穿過大氣層而在地面上進行觀測。
這次拍攝有什麽意義？
由於目前地球上射電望遠鏡的分布還很稀疏，這次拍攝黑洞隻用到8台射電望遠鏡，所以拍攝到的圖片的有效像素點還不夠多。但不管怎樣，這是人類歷史上第一次直接拍攝到黑洞圖像，其科學價值可以與引力波的直接探測相媲美，具有劃時代的意義。
而且此次拍攝，可以讓科學家在黑洞邊緣這樣引力極強的環境下驗證廣義相對論。
1973年，霍金等人提出了黑洞無毛定理。根據這一定理，任意被視界包裹的黑洞都可以被三個物理量完整地描述：質量、自旋和電荷。換言之，任意兩個黑洞，只要質量、自旋和電荷都相等，那麽這兩個黑洞應該是完全一樣的，就像兩個電子一樣是不可區分的。根據該定理的描述，黑洞是沒有“毛髮”的，沒有任何幾何上的不規則性或其他可區分的性質。
如果無毛定理是錯的（換言之，如果拍到黑洞的照片是不規則的），廣義相對論至少需要得到修正，因為其理論基礎就是廣義相對論，並且對這一定理的數學證明沒有留下任何回旋的余地。
最初考慮利用VLBI對黑洞進行成像觀測的時候，科學家認為可以利用黑洞“陰影”的形狀及尺寸（假如它是不規則的）來了解黑洞的自轉速度及其自轉軸的方向。然而，數值模擬卻給了科學家們一個意外：在模擬中，無論如何改變黑洞的自轉速度以及虛擬觀測者的位置，黑洞的“陰影”總是呈現為近似圓形，並且其尺寸大約為視界半徑的5倍。——由於某一幸運的巧合，或者有某一尚未被發現的深層次物理規律，不管如何改變模型中的參數，黑洞“陰影”的大小和形狀都保持不變。
這一巧合對於驗證愛因斯坦的理論是極有利的，因為該結論僅在相對論成立的前提下出現（見下圖）。而此次對M87星系中心黑洞的觀測結果顯示，其“陰影”的大小和形狀與我們的預言相吻合，這進一步印證了無毛定理——進而也驗證了廣義相對論。
另外，本次拍攝產生了大量的數據，但如何處理與存儲、運輸這些數據卻成為一個大問題。而隨著諸多如事件視界望遠鏡這樣的高性能的大型科學裝置的建立，如何對從探測器獲取的海量數據進行集中處理是一個棘手問題。用笨重、昂貴、低效的硬碟拷貝數據費時費力，因此這類研究會促進雲數據、 雲存儲在未來大科學裝置中的運用。
最後，從產業角度來說，天文儀器與觀測技術的發展也會反過來激勵和帶動無線電、物聯網、計算機、精密機械等眾多領域的發展，這對提升社會的科技與工業基礎構架具有重大意義——在這方面一個簡單的例子就是wifi的出現極大促進了移動互聯網的發展，而wifi與射電天文學的發展有密切的關係。所以，在這個意義上，人類第一次看到了黑洞的照片，雖然表面上看似乎是純科學，但也許在不久的將來也能引起一場新的產業革命。
作者| 張華 科普作家 北京師范大學物理學院碩士
責編 | 高佩雯
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