4月10日，通過協(xié)調(diào)召開全球新聞發(fā)布會，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）宣布已經(jīng)成功獲得了超大黑洞的第一個直接視覺證據(jù)。EHT是一個通過國際合作而實(shí)現(xiàn)的、由八個地面射電望遠(yuǎn)鏡組成的觀測陣列，主要旨在通過形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡來捕捉黑洞的圖像。
《天體物理學(xué)雜志通信》于4月10日以特刊的形式通過六篇論文發(fā)表了這一重大結(jié)果。該黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系Messier 87【1】中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍【2】。
EHT把地球上的望遠(yuǎn)鏡“組合”起來形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)【3】都是前所未有的。百年之前，愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證【4】。如今，作為多年國際合作的結(jié)果，EHT為科學(xué)家們提供了研究宇宙中最極端天體的新方法。
“我們捕獲到了黑洞的首張照片”，來自天體物理中心|哈佛大學(xué)及史密松寧學(xué)會的EHT項目主任Sheperd S. Doeleman說,“這是一項由200多位科研人員組成的團(tuán)隊完成的非凡的科研成果?！?/p>
黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體，在一個很小的區(qū)域內(nèi)包含著令人難以置信的質(zhì)量。這種天體的存在以極端的方式影響著周圍的環(huán)境，讓時空彎曲，并將周圍的氣體吸引進(jìn)來。在此過程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，因此氣體的溫度變得很高，會發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。
“如此一來，黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們期望著黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的，可我們以前從未見過?！盓HT科學(xué)委員會主席、來自荷蘭Radbound大學(xué)的Heino Falcke解釋。“這個暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質(zhì)，也使得我們能夠測量M87黑洞的巨大質(zhì)量?！?/p>
多次獨(dú)立的EHT觀測通過多個校準(zhǔn)以及不同的成像方法均揭示了一個環(huán)狀的結(jié)構(gòu)及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影。
“一旦我們成功對黑洞陰影成像，就可以將觀測結(jié)果與理論預(yù)言相比較，檢驗考慮了時空彎曲、超高溫及超強(qiáng)磁場等物理性質(zhì)在內(nèi)的大量模型。令人驚訝的是，我們所觀測到圖像的許多特征與理論預(yù)言相匹配”，EHT 董事會成員賀曾樸評論道，“這使得我們對觀測的理論解釋，包括對黑洞質(zhì)量的測量，都充滿信心?！?/p>
創(chuàng)建EHT是一項艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級和連接部署八個現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡來組成全球網(wǎng)絡(luò)，而這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點(diǎn)。
EHT觀測使用了甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測，同時利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，達(dá)到的分辨率約20微角秒，足以在巴黎的一家路邊咖啡館閱讀紐約的報紙【5】。
參與此次觀測的望遠(yuǎn)鏡包括ALMA、APEX、IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡、James Clerk Maxwell望遠(yuǎn)鏡、大毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）、亞毫米波陣（SMA）、亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SMT）和南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）。馬普射電所和麻省理工學(xué)院Haystack天文臺的專用超級計算機(jī)負(fù)責(zé)了對原始觀測數(shù)據(jù)的互相關(guān)工作。
EHT的建設(shè)和今天宣布的觀測結(jié)果源于數(shù)十年觀測、技術(shù)和理論工作的堅持和積累。這與來自世界各地的研究人員的密切合作是分不開的，是全球團(tuán)隊合作的典范。13個合作機(jī)構(gòu)共同創(chuàng)建了EHT，使用了既有的基礎(chǔ)設(shè)施并獲得了各種機(jī)構(gòu)的支持。主要資金由美國國家科學(xué)基金會（NSF）、歐盟歐洲研究理事會（ERC）和東亞資助機(jī)構(gòu)提供。
這一激動人心的成果受到了中國科學(xué)院天文大科學(xué)中心（CAMS）的支持，CAMS由中國國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立，是EHT的一個合作機(jī)構(gòu)（EHT共有3個合作機(jī)構(gòu)）的成員。上海天文臺臺牽頭組織協(xié)調(diào)國內(nèi)學(xué)者通過該合作機(jī)構(gòu)參與此次EHT項目合作。
“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點(diǎn)站”,上海天文臺臺長沈志強(qiáng)研究員說?！?我們期望也相信在不久的將來EHT會有更多令人興奮的結(jié)果?！?/p>
“我們已經(jīng)取得了一代人以前認(rèn)為不可能做到的事情”，Doeleman總結(jié)到?！凹夹g(shù)的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開了一個關(guān)于黑洞和事件視界的全新窗口。”
注釋：
【1】黑洞陰影是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像，黑洞是一個完全黑暗的天體，連光線也沒法逃離它的勢力范圍。黑洞的勢力范圍——事件視界（EHT便以此為名）——比黑洞陰影的尺寸小約2.5倍，大小約400億千米（對M87中心的超大質(zhì)量黑洞來說）。
【2】超大質(zhì)量黑洞是相當(dāng)小的天體，以至于幾乎很難被直接看到。由于黑洞的尺寸正比于它的質(zhì)量，黑洞質(zhì)量越大，黑洞陰影越大。M87中心的黑洞質(zhì)量巨大，又相對接近我們，是從地球上看過去角尺寸最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個完美目標(biāo)。
【3】雖然這些射電望遠(yuǎn)鏡沒有物理上連接，但借助氫原子鐘精確計時，各臺望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的同時性。在2017年的全球觀測中，觀測波段是1.3毫米。EHT的每一臺望遠(yuǎn)鏡都產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，每天約生成350太字節(jié)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被存儲在高性能的充氦硬盤上。隨后，這些數(shù)據(jù)被空運(yùn)至被稱作相關(guān)器的高度專業(yè)化超級計算機(jī)進(jìn)行合并處理，這些超級計算機(jī)位于馬普射電所和麻省理工學(xué)員海斯塔克天文臺。在那里，合作開發(fā)的新型計算工具將精心處理數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為圖像。
【4】100年前，為了通過觀測星光是否會因太陽引力彎曲來檢驗廣義相對論，兩支科學(xué)探險隊前往非洲海岸的普林西比島和巴西的索布拉開展1919年的日食觀測。作為1個世紀(jì)后的回應(yīng)，EHT已經(jīng)派遣團(tuán)隊成員前往世界上最高和最偏僻的射電觀測臺站，去再一次檢驗我們對引力的理解。
【5】隨著IRAM NOEMA天文臺、格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和基特峰望遠(yuǎn)鏡加入EHT，未來EHT的靈敏度將顯著提高。
更多信息：
這項研究將于今天以一系列六篇文章發(fā)表在“天體物理學(xué)雜志快報”（ApJL）上。
EHT合作涉及來自非洲、亞洲、歐洲、北美洲和南美洲的200多名研究人員。該國際合作正致力于通過創(chuàng)建與地球大小相當(dāng)?shù)摹疤摂M”望遠(yuǎn)鏡來捕捉最精細(xì)的黑洞圖像。在相當(dāng)多的國際投資的支持下，EHT使用新穎的系統(tǒng)連接現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)了一種具有最高角分辨本領(lǐng)的新觀測設(shè)備。
所涉及的各個望遠(yuǎn)鏡是; ALMA（73米）、APEX（12米）、IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡、IRAM NOEMA天文臺、James Clerk Maxwell望遠(yuǎn)鏡（JCMT，15米）、大毫米望遠(yuǎn)鏡Alfonso Serrano（LMT，32.5米）、亞毫米波陣列（SMA，14.7米）、亞毫米望遠(yuǎn)鏡（SMT，10米）、南極望遠(yuǎn)鏡（SPT，6米）、基特峰望遠(yuǎn)鏡和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）。