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2019年4月10日，人类拍摄的第一张黑洞照片面世之后，有很多人把它比喻成甜甜圈、电热器，甚至是蜂窝煤。也有不少人表示“不明觉厉”，甚至还有人认为这压根就是个骗局。 EHT项目拍摄的黑洞照片 那么，这一首张黑洞照片到底是怎样拍摄的？这张照片到底能反映什么信息？中国科学技术大学天文学教授袁业飞是中国16位参与黑洞照片拍摄项目的科学家之一。由袁岚峰领衔的PLUS节目特邀袁业飞教授对这次拍摄黑洞照片作了解读。 拍摄黑洞是一个布局地球上不同地理位置的望远镜全方位聚焦宇宙空间的国际合作项目，叫做“事件视界望远镜”，Event Horizon Telescope，简称EHT。袁业飞介绍说，EHT是一个毫米波的甚长基线干涉测量技术（very long baseline interferometry. VLBI）。VLBI的意思就是说通过把地球上不同地方的望远镜组网观测，这样从分辨率的角度看，就相当是组成了一个和地球半径一样大的望远镜。因为对于两个毫米波望远镜而言，随着地球的自转，它会扫出一定的面积，也就是像地球那么大口径的一部分。这叫综合孔径技术，我们国家的探月工程也用到了这样一个VLBI的技术。
参与了EHT项目的望远镜 由于“事件视界望远镜”（EHT）需要毫米波段的天文望远镜组网拍摄黑洞照片，而在东亚的中国、日本等国家尚无自己的这种望远镜参与黑洞照片拍摄，即使是中国的FAST也只能服务于某些波段的研究，所以中国、日本等国家只能租用美国的望远镜。 袁业飞教授说，中国参与到EHT项目，我们和东亚的几个国家组成一个虚拟的天文台，叫东亚天文台。东亚天文台负责运营维护美国在夏威夷的一台毫米波的望远镜，叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT：James Clerk Maxwell Telescope）。美国的战线拉得很长，他们现在已经没有足够的经费来运营、维护这台望远镜了。我们东亚几个国家合作运营维护这台望远镜，EHT只是其中一部分工作，我们还可以拿它来做别的科学研究。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜 这个项目是一个大型的国际合作，有200多个科学家一起工作。具体来说，有很多个工作组，有负责观测的、有负责设备更新或设备技术改造的，而对观测数据的分析、处理即所谓的“洗照片”又是另外的工作组。还有理论组，袁教授负责的是理论工作，除了拍摄之前的理论预测，就是在照片出来之后怎么建模、如何从物理上来解读黑洞照片。 袁业飞教授表示，这张人类首次拍摄的黑洞照片反映了黑洞周围气体动力学和辐射方面的一些信息。黑洞作为宇宙中的天体它有两个重要的特征：首先它有一个奇点，它的所有质量都集中在这个奇点；另外它有一个特征的势力范围，也就是视界，物质一旦落入到这个视界就变成黑洞的一部分，哪怕是光进入视界也是这样的结局，也就是即使是光也出不来了。这里所谓的“视界”，是指我们能够看到的黑洞最内区的边界。 袁老师在读初中的时候，他父亲为他买了一本科普书：《天体是怎样演化的》。这本书讲了恒星的形成和星系的演化，这是他对天文感兴趣最早的一个启蒙。后来袁业飞老师对相对论非常感兴趣，他觉得相对论真正有用的地方就是强引力场，就是黑洞。他的研究课题主要集中在黑洞天体物理方面，也就是黑洞周围的强引力场下的一些物理过程和辐射。 对于黑洞到底长什么样子？许多年来天文宇宙物理学家们都只是一个理论上的建模。EHT项目组网拍摄黑洞照片，袁业飞老师直接参与这个工作，有机会验证自己的理论设想，不能不说是一件非常激动人心的事情。 袁业飞教授说，大家从照片上能看到黑洞的阴影，这是中心的shadow，也就是黑洞视界的大小。黑洞周围的气体接近于光速在运动，这和我们的理论预言基本上是一致的。黑洞周围的气体是一个盘状的几何结构，但这个盘并不完全垂直于我们的视线方向，而是和我们的视线方向有一个倾角。有的物质它会朝向你运动，有的物质是背离你运动。比较亮的部分，实际上是朝向你运动的，也就有更多的光子辐射到达地球，所以你看起来更亮一点。 世界上有很多不同的望远镜，它们各自适合于不同的目的。据袁业飞教授介绍，我国的FAST望远镜的工作波段不在毫米波，不适合拍摄黑洞照片。毫米波的望远镜一定要放在海拔高的地方，因为毫米波被地球大气的水汽、水分和氧气吸收得非常厉害，而FAST在贵州的大窝凼（dàng），它的毫米波被大气吸收、水汽吸收是非常厉害。
FAST望远镜 我们现在的通用型光学望远镜，口径最大的是云南天文台在丽江的2.4米望远镜。美国在100年前就有两米级的望远镜，他们的哈勃望远镜就是两米级的，在100年前就发现了宇宙在加速膨胀。在天文观测方面，我们现在和国外比还有很大的差距。 云南天文台YF0SC望远镜 但是，中国在宋朝即1054年对世界天文有一个很大的贡献——钦天监的记载——最早发现了蟹状星云，一个超新星爆发。钦天监详细地记录了1054年超新星爆发的方位、亮度以及随着时间的演化。这个对世界天文的研究是非常重要的。 蟹状星云 首张黑洞照片验证了广义相对论是正确的。袁教授说，广义相对论被验证是正确的，它改变了我们的时空观。按照经典的牛顿力学，我们的时空观是绝对的，也就是时间和空间是独立的，而且它们都是绝对的。也就是说，时间和空间不依赖于物质，物质对时空没有影响。狭义相对论第一次改变了我们的时空观。在狭义相对论里面把时间和空间统一了，时空不是时间和空间，时空就是一个四维的。 当爱因斯坦建立了的广义相对论之后，又进一步地改变了我们的时空观。在狭义相对论里面，时间和空间虽然统一了，但时间和物质没有相互作用，也就是时空仍然是绝对的。在广义相对论里面，时间、空间和物质就发生了相互作用：时空影响物质的运动，物质又会影响时空的性质。物质和时空发生相互的影响，这在哲学上面也是让我们很满意的。 现代物理学有两大支柱，一个是量子力学，一个是相对论。验证了相对论，也就是验证了我们物理学大厦的两个支柱是牢固的。另一方面，我们的GPS定位实际上是要考虑地球引力场的，甚至地球转动的影响。虽然这只是在弱场下的一个修正，但这个修正非常重要。 既然黑洞照片证实了宇宙中黑洞的真实存在，那么我们就不能够忽视它。 |
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