黑洞照片怎么拍的 要拍摄黑洞需要什么条件

4月10日，“事件视界望远镜”（EHT）在全球6地方同步发布人类有史以来获得的首张黑洞照片，照片是由分布在全球各地的射电望远镜组成的虚拟望远镜阵列共同完成的。

在正式看到黑洞照片之前，先让我们一起来学习一下关于黑洞的背景知识。

黑洞是什么？

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（event horizon）。

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）。

为什么要研究黑洞？

黑洞就在宇宙中，等着我们去研究。列举几个有意思的理由：

第一，在我们居住的银河系中中心就有一个超大质量黑洞，它的质量大约400多万倍太阳质量。

第二，大家可能会问，这颗超大质量黑洞会影响我们的生活吗？

第三，银河系中除了这个超大质量黑洞外，还有很多恒星级黑洞，它们和我们有关系吗？

第四，黑洞和它所在的星系之间究竟有什么关系，这是我们非常关心的领域。

等等，黑洞自身有一堆秘密，让人着迷。

如何确认黑洞的存在？真的有黑洞吗？

黑洞的名字，乍一听，黑的洞，那是不是表明没法看见；如果没法看见，那怎么就知道它存在呢？在这次拍照前，天文学家们是通过各种间接的证据来表明黑洞的存在，主要有三类代表性证据。

第一，恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。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。

第二，根据黑洞吸积物质（吃东西）发出来的光来判断黑洞的存在。

第三，通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。

还有很多类似的证据，无不说明了黑洞真实存在。但这还是间接的，我们想直接“看”到黑洞。

给黑洞拍照，是要拍一张怎样的照片呢？天文学家们期望拍一张怎样的照片呢？

广义相对论预言，由于黑洞的存在，我们将会看到中心区域存在一个因为黑洞视界而形成的阴影（shadow），其周围环绕一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环，鉴于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同，光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径（注：史瓦西半径指没有自旋的黑洞的事件视界半径）。

为什么要给黑洞拍照？

对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的，因此给黑洞拍照，最重要的目的是在强引力场的极端环境下验证爱因斯坦的广义相对论，并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

什么样的黑洞适合拍照？

黑洞阴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，要想拍摄到黑洞的照片，毫无疑问，我们希望找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为对象。

由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也就意味着质量越大，其事件视野越大，因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A*和近邻射电星系M87的中心黑洞M87*是两个目前已知最优的候选体。

银河系中心黑洞的史瓦西半径约为10微角秒，其黑洞阴影的角直径大小相应为47-50微角秒，这相当于一个苹果在月球上的角直径大小（月球的角直径是30角分）。M87中心的超大质量黑洞（M87*）的黑洞阴影看起来要比银心的黑洞阴影略小，约为37-40微角秒。

什么样的望远镜可以对黑洞成像？

要对黑洞成像，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。满足这些条件，最好的工具莫过于1967年出现的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）技术（值得一提的是，该VLBI技术也成功应用于我国嫦娥探月工程的探测器的测定位）。假定在1毫米波长观测，一个长度为1万千米的基线能获得约21微角秒的分辨本领。

但大家可千万别以为，只要VLBI阵列的分辨率足够高，就一定能成功给黑洞拍照。因为，情况没那么简单。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VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米附近。

能介绍下此次拍照使用的视界望远镜（EHT）吗？

为了捕获第一张黑洞图像，全球超过200名科学家达成了EHT这一重大国际合作计划，EHT观测所利用的技术就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3mm，并且将有望扩展到更短的0.8mm。

EHT合作者们在2017年4月份到多个世界上最高、最偏僻的射电天文台，以一种爱因斯坦永远也不会想到的方式去检验广义相对论。参与此次观测的包括位于世界6个地点的8个台站（Atacama Pathfinder Experiment，APEX；Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA;IRAM 30-meter Telescope; South Pole Telescope，SPT; James Clerk Maxwell Telescope，JCMT；Large Millimeter Telescope，LMT；Submillimeter Array，SMA； Submillimete)。