黑洞首张“全景”照取得哪些重大突破？看完这32个问答就懂了
·“尾巴”代表了黑洞附近被“吐出”的气体，这个“尾巴”就是喷流。在非常靠近黑洞处等着落入黑洞的物质，也可能因为某些原因被喷出来，这些向外喷的物质聚集在一起，形成喷流。“尾巴”中距离黑洞稍远地方的气体可以认为是已经初步形成的喷流，它们不断被加速至接近光速，向外运动。M87星系有着长达5000光年的明亮喷流，而M87*黑洞正是喷流的源头。
由中国科学院上海天文台研究员路如森领导的一个国际研究团队在毫米波段开展黑洞新观测，实现了黑洞阴影和强大喷流的首次“合影”，相关成果4月26日发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。
研究人员首次在3.5毫米波长对M87星系中心超大质量黑洞（M87*）周围的环状结构进行成像，观测到这一黑洞在3.5毫米的图像也呈现“甜甜圈”形态，比此前“事件视界望远镜”在1.3毫米观测到的“甜甜圈”大了近50%，并且看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”，它是黑洞的喷流。
什么是黑洞？什么是喷流？黑洞与喷流有什么关系？如果掉进黑洞会发生什么？为什么要给M87*黑洞拍照？新照片与人类首张黑洞照片相比有哪些区别？为什么人类首张黑洞照片没有拍到“尾巴”？未来还有哪些黑洞“摄影”计划？中国科学院上海天文台的赵杉杉博士、路如森研究员、黄磊副研究员和彭思佳博士对相关32个问题做了以下回答。
从黑洞的“特写”到黑洞的“全景”
1.M87*是如何被观测到的？
1781年，法国天文学家夏尔·梅西耶发表了著名的梅西耶星表，里面包含103个星云状的天体，并以字母M加数字为这些天体命名。M87就是其中之一，其含义为梅西耶星表中的第87个天体。
1918年，美国天文学家希伯·柯蒂斯首次观测到M87的喷流，也是人类历史上第一次观测到天体中的喷流。他看到“一束奇怪的直射线，从一片朦胧的光斑中心发出”。后来，随着对宇宙认知的拓展，人们逐渐意识到M87并不是星云，而是一个星系。
1947年，人们观测到M87位置处的射电源，命名为室女座A。随后证实室女座A的射电信号就来自于M87。于是，M87成为知名的射电星系，吸引了无数射电望远镜的目光。
M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像，上方为2017年4月11日的图像，下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图像。
2017年，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope， EHT），一台口径等效于地球直径的射电望远镜，成功拍摄到了M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的照片。这张照片也是人类历史上的首张黑洞照片。照片显示M87*长得像个“甜甜圈”，外面一圈亮环，围绕着中间的阴影。
2.M87*离我们多远？
M87*位于梅西耶87星系——室女座星系团中央巨椭圆星系的中心，距离地球约5500万光年。
3.M87*有多重？
约65亿倍太阳质量。
4.M87*有多大？
根据M87*的质量，可以估算出它的黑洞事件视界直径约为400亿公里（作为对比，冥王星与太阳的距离是58亿公里）。EHT看到的光环是它的2.5倍大，而本次观测到的环比EHT看到的环还要大50%，这说明M87*有多大取决于用什么频率的望远镜观测。
5.M87*的（平均）密度有多大？
黑洞密度的概念很难定义，因为我们无法知道黑洞的大小。用视界半径来衡量黑洞的大小显然不妥，视界只是光无法逃逸的临界点，并不是黑洞的边界。当然，我们也可以暂且用视界大小来估算M87*的密度，这个密度出人意料的小，与地球上的空气密度相当。而另一个我们熟悉的黑洞：银心黑洞，虽然质量只有400万个太阳质量，密度却相当地大，约为水密度的一万倍，同时是太阳核心密度的60倍。我们知道黑洞视界的直径与质量成正比，体积则是直径的立方，按照密度等于质量除以体积的定义，就会发现黑洞的密度与质量的平方成反比。也就是说，黑洞质量越大，密度反而越小。
6。此次观测看到了什么？
此次观测首次将M87黑洞的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在同一张照片之中。
观测到M87黑洞在3.5毫米的图像也呈现“甜甜圈”形态，比此前EHT在1.3毫米观测到的“甜甜圈”大了近50%。并且看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”，它是黑洞的喷流。
左为2019年4月10日公布的人类历史首张黑洞照片，右为2023年4月26日公布的同一个黑洞的照片，环状结构在3.5毫米波长下变得更大、更厚。
7。此次观测是否颠覆了此前的认知？
此前人们认为用地球上的望远镜在3.5毫米观测波长上不会看到“甜甜圈”，但此次观测确实看到了一个比此前认为得要更大的“甜甜圈”，它来自于黑洞周围的吸积流。
8。此次观测能否揭示M87*是如何形成的？
目前我们认为恒星质量级的黑洞是由大质量恒星演化晚期坍缩形成，但星系中央的超大质量黑洞是如何形成的，仍是未解之谜。
M87*已演化到了稳定阶段，科学家们利用EHT观测及其它的多波段观测数据得到的诸多限制来研究黑洞及其周围环境的现状，但尚无法回答黑洞形成阶段的问题。
9。本次拍摄的照片与EHT拍摄的照片有何不同之处？
EHT拍摄的照片是黑洞的“特写”，看到亮环围绕着中间的阴影。此次我们拍摄到黑洞的“全景”，在这张照片中有黑洞、黑洞周围的吸积流，以及从盘附近延伸向远处的喷流。这张照片作为EHT照片的拓展，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。
10。为什么两个不同频率的观测都能看到相似的环结构？
在不同频率观测到的电磁辐射，都来自于黑洞附近的物质。一方面这些物质可能本身就是环形，比如一个绕着黑洞高速旋转的盘，或者中间暗边缘亮的喷流。另一方面，黑洞附近弯曲的时空会使光线弯曲甚至绕转黑洞数圈才逃逸出来（引力透镜效应），这也会形成亮环。观测到的环可能是许多因素叠加在一起的结果，但这些因素所占的比重在不同频率观测中并不相同。经采取不同的模型进行解释，本次观测到的环更可能是黑洞吸积流所发出的光形成的。
11。为什么本次拍摄到的喷流在EHT拍摄的照片中没有看到？
一方面EHT的视场比较小，只能拍摄到黑洞的“特写”照片，离黑洞稍远一些的喷流没能进入镜头。而本次拍摄用的望远镜比EHT的视场大很多，既能看到黑洞周围的发光物质，也能看到喷流。另一方面，喷流的亮度随着观测波长变化。喷流在本次观测采取的3.5毫米观测波长上比较明亮，而在EHT采取的1.3毫米观测波长上稍微暗一些。这也可能是EHT没有拍到喷流的原因。
12.M87*与银心黑洞（Sgr A*）相比有何不同之处？
M87*是目前宇宙中所知质量最大的黑洞之一，大约65亿倍太阳质量。它位于梅西耶87星系——室女座星系团中央巨椭圆星系的中心，距离地球约5500万光年。M87星系的中心黑洞驱动能量巨大的喷流，速度接近光速，延展至星系以外很远处。
相比之下，Sgr A*显得普通许多。它位于我们所居住的旋涡星系（银河系）中心，距地球只有2万7千光年。Sgr A*没有明显的喷流，比M87*质量小得多，只有约400万倍太阳质量。
13。能不能拍到Sgr A*的喷流？
自1974年探测到Sgr A*以来，人们没有看到清晰可见的喷流。如果有的话，它必然比M87*的喷流暗弱得多。这一问题将留给未来更好的观测解答。
此外，拍摄Sgr A*的喷流还需要克服银河系星际介质散射的影响。散射效应会使图像便模糊，且观测波长越长，这一模糊效应越强。若用本次观测使用的3.5毫米波长来拍摄Sgr A*，强烈的散射效应会破坏掉它本身的结构，从而看到模模糊糊的一团。
从8台望远镜到16台望远镜
14。本次拍摄用到了哪些望远镜？
本次拍摄将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。分别为全球毫米波阵（Global mm-VLBI Array，GMVA）的14台望远镜，位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA），以及位于格陵兰岛的格陵兰望远镜（Greenland Telescope，GLT）。
本次拍摄将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。
其中，GMVA的14台望远镜包含美国的甚长基线阵（Very Long Baseline Array，VLBA）中的8台望远镜和美国的绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope，GBT），德国的埃菲尔斯伯格望远镜（Effelsberg Radio Telescope），瑞典的翁萨拉天文台（Onsala Space Observatory），西班牙的维可皮塔（Pico Veleta）IRAM 30米射电望远镜和Yebes 40米射电望远镜，芬兰的Metsähovi望远镜。
15。为什么要给M87*拍照？
M87*距离地球仅有5500万光年，而质量又非常可观（65亿倍太阳质量），这使得它在天空平面上看起来非常大，是非常适合拍照研究的对象。M87星系有着明亮的长达5000光年的喷流，而M87*正是喷流的源头。因此，给M87*拍照可以帮助我们理解黑洞附近的环境，观察黑洞周围的物质是如何绕转、掉进黑洞或被喷出的，进而研究黑洞和喷流的关系。
16。拍摄用到的关键技术是什么？
拍摄用到的关键技术是甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术。利用该技术，可以将分布全球各地的望远镜组成围绕地球的干涉阵列来收集来自宇宙的信号。EHT拍摄黑洞照片所用到的关键技术也是VLBI。
干涉测量是一种观察电磁辐射干涉效应的技术，这种干涉是由一个光源的光线与其本身相干所产生的。因为同一个电磁辐射到达每个望远镜的时间不一样，所以不同望远镜接收到的信号可以关联在一起，做干涉测量。与单个望远镜的直接拍照不同，干涉测量的图像需要汇集多台望远镜的数据进行相关处理，然后从处理好的数据中重建出天体的图像。
VLBI是一种相距极远的望远镜之间进行干涉测量的方法。每两个望远镜组成一条基线，它们之间的距离是基线长度。基线长度越长，观测的分辨本领越好。因此，VLBI技术将遍布全球的望远镜组合起来，可以组成分辨率远超单个望远镜的超级望远镜。当将VLBI技术用于给天体拍照时，望远镜的数目和分布很有讲究。总体而言，越多的望远镜参与，望远镜在地球上分布得越均匀，拍摄的效果越好。本次观测依靠VLBI技术将16台望远镜组合起来，望远镜从数量和分布上比此前的观测有很大提高，因此才能成功拍摄到这张前所未有的清晰图像。
17。这一合作项目有多国际化？
这一由中国学者领衔的国际合作项目，成员来自17个国家和地区、64家研究单位，共计121位。
18。这张新照片是在何时拍摄的？过程中有哪些趣事？
这张新照片是在2018年4月14日至15日拍摄的。
由于争取到“巨无霸”级的望远镜ALMA加入观测阵列，所有人都对拍摄结果抱有很高期待。在初步处理数据后，我们就在数据中注意到了前所未有的新特征，这给团队成员很大激励。经复杂的数据处理和成图过程，及反复验证和确认结果，最终在五年后呈现出这张史无前例的新图像。
19。这张新照片的冲洗过程克服了哪些困难？
首先，在拍摄中遇到了很多意外情况。比如，阵列中的格陵兰望远镜是一台新的望远镜，它参与观测时还在调试阶段。在观测过程中，其基于波导的相位旋转器被错误地配置。我们事后发现这一问题，在数据处理时开发了特别的算法解决了这个问题。
其次，在将“生数据”处理成“熟数据”过程中，我们前后做了四次VLBI分析中的“互相关处理”（cross-correlation）以及相应的“相关后处理”（post-correlation processing）分析。我们克服来回来去返工的煎熬，得到了最可靠的“熟数据”。
最后，从“熟数据”重建观测图像也遇到了前所未有的挑战。困难源于这是一张视场很大的图像，图像里面包含着许多成分，且这些成分的亮度差异很大。通过汇聚遍布全球各地的许多合作者的经验，经过各种尝试和反复验证，我们最终克服了这些困难。
20。在观测设备上，本次使用的观测与EHT相比有哪些不同？
本次观测与EHT相比有两个不同点。第一，本次观测的观测波长是3.5毫米，而EHT的观测波长是1.3毫米；第二，本次观测联合了16台望远镜，而EHT的观测联合了8台望远镜。
21。下一步的目标是什么？
下一步的目标是与EHT一起拍摄“彩色黑洞”。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。我们将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合未来EHT拍摄的更清晰的1.3毫米照片，未来下一代EHT拍摄的0.8毫米照片，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄的更短波长的照片，我们可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，相比于“单色黑洞”，“彩色黑洞”将带给我们更多信息，帮助我们更好地理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。
另一个目标是拍摄“动态黑洞”。黑洞并不是静止的，它每时每刻都在和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄“动态黑洞”将在空间维度上再解锁时间维度，让我们能够全方位的观测和理解黑洞。对于M87*，由于它变化缓慢，需要长时间的监测来拍摄它的变化。EHT在过去几年进行了多次的连续成像观测，未来五年也有持续的观测计划。这些观测数据将呈现M87*在10年时间跨度上的电影。针对快速变化的银心黑洞，目前EHT的望远镜分布不足以实现“快拍模式”的动态摄影，“丢帧”严重。但随着未来几年更多望远镜的加入，将能达到所需时间分辨率，拍到“黑洞电影”！
黑洞不仅在“吃”也在“吐”，还会“暴饮暴食”
22。什么是黑洞？
引力极强的时空区域，任何东西，甚至光（电磁波），都无法逃逸。因为光无法逃逸，我们称之为“黑”，因为物质无法逃逸，我们称之为“洞”。
黑洞没有表面，一般用事件视界面作为边界，区分黑洞内部和外部。它标识出“无返回区”，即一切穿过事件视界的东西永远不可能逃逸。
23。什么是喷流？
喷流是一种天文现象，人们将具有定向、狭长、高速的电离物质外流称为喷流。喷流看上去像一条火焰柱。喷流广泛存在于宇宙中的许多天体中，如形成中的恒星、爆发中的激变变星，吸积中的黑洞等。当喷流中物质速度接近光速时，该喷流被称之为相对论性喷流。大部分相对论性喷流与星系中心的超大质量黑洞有关。
24。黑洞与喷流有什么关系？
理论学家认为，黑洞不仅在“吃”（吸积物质），同时也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物质速度快、方向性好，自然就形成了所观测到的喷流。但需要说明的是，理论学家至今也没能非常明确地解释好黑洞与喷流的关系，观测工作也是在一步步地试图解开这个谜团。
25。黑洞是如何诞生的？
黑洞形成最简单的方式是在年老的、大质量恒星塌缩过程中形成，期间伴随超新星爆发。如果恒星的质量足够大，至少有几十倍太阳质量，恒星的残余部分就会坍缩成一个黑洞。恒星级黑洞形成的其它理论还包括，在宇宙大爆炸后不久由物质直接塌缩形成。黑洞有两种增长方式，以便成更大质量的黑洞：通过吸积和“暴饮暴食”，以及通过与其它黑洞合并。
26。为什么我们看到亮环围绕着阴影？
黑洞本身不发光。但黑洞周围绕转着热气体，这些气体在不断地发出辐射，形成亮环。我们看到的亮环围绕着阴影，实际上是黑洞和它周围的发光气体组合在一起形成的图像。
27。为什么我们看到亮环长着“尾巴”？
“尾巴”代表了黑洞附近被“吐出”的气体，我们称呼这个“尾巴”为喷流。在非常靠近黑洞处等着落入黑洞的物质，也可能因为某些原因被喷出来。这些向外喷的物质聚集在一起，形成喷流。理论上认为该喷流的形成与其黑洞活动密切相关，我们看到亮环带有“尾巴”符合这一认知。“尾巴”中距离黑洞稍远地方的气体，可以认为是已经初步形成的喷流，它们不断被加速至接近光速，向外运动，一直与1000光年外的喷流相连。
研究人员首次在3.5毫米波长对M87星系中心超大质量黑洞（M87*）周围的环状结构进行成像。在这张照片中有黑洞、黑洞周围的吸积流、从吸积盘附近延伸向远处的喷流。
黑洞的影响范围与黑洞的质量成正比：质量越大，影响的范围越大，对时空的扭曲程度越厉害。星系中心的超大质量黑洞离我们非常遥远，不会对地球造成影响。目前，也没有证据表明地球附近存在小质量黑洞。因此不用担心黑洞会对地球造成影响。但是，研究黑洞可以让我们深入了解空间和时间的本质。
28。最靠近地球的黑洞在哪里？
最靠近地球的黑洞是距离我们3000光年的麒麟座V616，它的质量是太阳质量的11倍，围绕一颗K型星（0.5倍太阳质量）运行，轨道周期将近8小时。
29。是否所有星系的中央都有黑洞？宇宙的中心是否也有一个巨大的黑洞？
通常认为大多数星系中心是存在一个超大质量黑洞，但目前我们所认知的宇宙是各向同性的，也就是说宇宙没有中心。
30。黑洞会“消失”吗？
由于所谓的霍金辐射，经过一段时间后所有物质都会蒸发。对于迷你黑洞来说，这可能只需几秒钟。对于一个质量相当于一座山的黑洞来说，它需要20亿年。对于像太阳这样大质量的黑洞来说，需要10的67次方年！
31。黑洞里有什么？
这还未知，因为我们无法接触那里的东西，落入黑洞的物质或许被压缩了、或者全部到达中心的奇点。关于这些，你可以自由想象，因为没有人能够飞入黑洞再返回，来告诉我们那里有什么。
32。如果掉进黑洞会发生什么？
对于一个小黑洞来说，你会遭受所谓的“意大利面化”（这是一个科学术语）。如果你脚朝向黑洞往里掉，引力作用在你脚上比作用在你头部更高，所以你会被拉伸，变得像意大利面。对于巨型黑洞来说，你的形状可以忽略，你不会受到“意大利面化”的困扰。
