黑洞是什么？为什么要花那么多人力物力拍黑洞图片

举世瞩目的黑洞照片已经公布，这张红遍全球的图像透露出哪些信息，未来天文学家还将会给我们带来什么样的惊喜？带着这些问题，记者日前采访了法国国家科学研究院（CNRS）两位资深专家，详细解读黑洞照片背后的故事。

黑洞照片

什么是黑洞？
黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种天体。黑洞的引力很大，使得视界内的逃逸速度大于光速。“黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体”。
1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。借由物体被吸入之前的因高热而放出和γ射线的“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的讯息。推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际云气团绕行轨迹取得位置以及质量。
北京时间2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。

接受采访的两位“大咖”，一位是巴黎综合理工学院教授、CNRS主任研究员马休·德诺华，他在Leprince-Ringuet实验室从事高能伽玛天文学研究，在巴黎综合理工学院讲授高能天文学、量子力学等课程，是2018年CNRS银奖获得者；另一位是CNRS主任研究员娜塔莉·德吕埃勒，她在巴黎狄德罗大学宇宙学实验室从事引力波和宇宙学问题研究，曾于巴黎综合理工学院、巴黎高等师范大学讲授广义相对论，著有《现代物理学的相对论》《引力波》等书籍。

为黑洞拍照是一项创举
德诺华对记者表示，给黑洞拍照首先是一项技术创举，通过将干涉技术（VLBI）与位于全球的望远镜相结合，创造了一个巨大的“虚拟”望远镜，使角度分辨率达到前所未有的20微弧秒。这相当于从一万公里外看到一毫米的物体，或者更形象的说，相当于从地面看到月球上的高尔夫球。
其次，取得黑洞照片是一项基础性科学成果。多年来，已经有很多非常有说服力的证据证明黑洞的存在，特别是近年检测到引力波，不仅证实了广义相对论的预测，同时还证实了“中间”质量黑洞的存在（质量约为数十个太阳）。但在此前的研究中，我们从未“看到”过黑洞。
这张“照片”是黑洞的第一张真实图像，或者说是黑洞周围环境的直接图像：我们可以看到围绕黑洞转动的光线——可能是黑洞周围的等离子体产生的。这是黑洞照片最重要的一个发现，类似于首次观测脉冲星一样，它开辟了一个新的观测途径。

历尽艰辛，但还有很长的路要走
德吕埃勒认为，“事件视界望远镜（EHT）”项目取得的成就是一项非常重要的科学成果，为爱因斯坦广义相对论提供了新的验证。它证明了人类可以观测到靠近黑洞视界的物质运动，在精度达到一定程度后，将可以借此了解黑洞的引力场，并能够探究现实中的黑洞是否符合爱因斯坦广义相对论的预测。但要实现如此高的精度还有很长一段路要走。目前，这张照片证实了黑洞的质量，但还不足以确定其转速。此外，它虽然与广义相对论“兼容”，但由于其不够精确，同时也能够与其他竞争模型兼容。
德诺华指出，EHT的工作还没有完全完成，下一步它将把镜头对准银河系中心的人马座A*。银河系中心的黑洞比M87星系中心黑洞更轻、更小，其周围的光线环绕一周可能只需要数十秒，而M87星系黑洞周围光线环绕一周则需要数小时。这将导致图像会发生更多的变化，从而需要进行“动态”分析。此外，EHT还需要对黑洞做更细致研究，包括测量黑洞旋转速度，观察吸积过程物质如何落入黑洞，从其他方面检验广义相对论，观察等离子喷射等。此后，EHT还可能将目标转向其他黑洞，也将有更多天文台加入，以进一步提升观测能力。

还有更多未知等待探索
在问及除EHT之外，未来还有哪些重大天文项目和目标时，德诺华表示，为了更进一步提升观测黑洞的精度，未来有两个途径可以提高角度分辨率：一是使用更小波长的电磁波，由于其频率更高，需要进一步加强各观测站的同步能力；二是增加望远镜阵列距离，EHT已经充分利用地表距离，下一步需要将射电望远镜送入太空来增加望远镜之间的距离。而这些工作将需要在EHT之外建立更多国际合作。
德吕埃勒对此表示，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲处女座引力波天文台（VIRGO）探测到黑洞合并过程的引力波具有重要意义，它开创了人类通过引力波来探索宇宙的新路径，而不仅仅是依靠光（以及宇宙射线、中微子等）。德吕埃勒期待日本KAGRA低温引力波探测器尽早投入使用，加入到LIGO-VIRGO正在进行的观测项目。另外，她还期待LISA空间引力波探测器尽快发射升空，它将允许我们借助引力波“看到”银河系中心的超大质量黑洞。在相关的另外一个领域，德吕埃勒认为，国际线性对撞机（ILC）如能修建，将可能揭示神秘的暗物质和暗能量。
两位专家都表示，目前还有许多其他大型研究项目，包括光学天文学（建设超大望远镜）、无线电、X射线、伽马射线、中微子、引力波等等。随着科研人员的不懈努力，相信未来将有更多世界级重大发现，引领我们一步步探索自身所处的神秘宇宙。

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