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黑洞是什么意思(从地球看，黑洞大小相当于月球上的一个橘子，科学家要如何观测？)
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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：
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造就第439位讲者 左文文中科院上海天文台团委书记
“看见”黑洞，一直是人类的梦想。
今天我就给大家讲一个关于黑洞的故事。我想告诉大家：
我们为什么要拍一张黑洞的照片？
我们是怎样拍摄它的？未来，我们还有怎样的期待？
为什么要给黑洞拍照？大家可能知道，这张照片拍摄的，其实是5500万光年之外一个长得像橄榄球一样的星系中心的超大质量黑洞。它的质量是太阳质量的62亿倍。
我们知道，在宇宙中的每一个大质量星系里，也包括我们的银河系，都存在着一个超大质量的黑洞。
我们已经通过一些间接的方法去判断它们的存在，就好像我们看不到风，但是可以看到风吹动落叶、旗帜，来判断风的存在。
类似的，我们也已经通过一些方法间接地判断黑洞是存在的，比如说观察它周围的恒星气体发出的光，或者是两个黑洞打架产生的引力波。
可是，我们还不满足。人类的好奇心和探索欲，驱使着我们想要知道：
黑洞——它究竟长什么样子？
我可不可以更直接地去看到黑洞？
这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。
给黑洞拍照，究竟有多难？黑洞，它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中，气体是转动着下落的，就像我们打开洗脸池的出水口，你会发现池子里的水是一边转一边往下流动的。
黑洞也一样，周围的气体，一边旋转一边向黑洞中心掉落，最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带，我们称之为吸积盘。
还有一些气体没有被吸进去，这些气体很可能会向外喷射出去，产生喷流。
那么这时候大家会意识到，黑洞其实并不真的是全黑的，在黑洞的周围，有吸积盘、喷流，这些物质都会产生光。
可是，在黑洞视界附近，引力非常强，以至于将光线都弯曲了。
可以想象一下，本来光子都是直线传播的，可是到了黑洞附近，不好意思，它能让你跑的路线都变弯了，还能让你围着黑洞绕圈圈，进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗，所以称作阴影。
这个光环的半径有多大呢？我们来看一下这张图。
左侧的图是我们观测得到的，中间那张图是经过数值模拟的结果。
大家会发现，观测到的好像也没有那么很高清。理论模拟告诉我们，在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域，会形成一个光环。所谓黑洞的半径，大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。
换算成数值的话有多大呢？如果我们把太阳压缩成一个史瓦西黑洞，它的势力范围（半径）就是3000米，也就是3000米内的光线都不能逃出去。
在我们自己的银河系中心，有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。大家可以算一下，一个太阳质量的黑洞，势力范围是3000米，那如果是400万个太阳质量的黑洞，势力范围就是1200万千米。
用上面提到的2.5倍系数换算一下，就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。光环很大，听起来好像不难拍，但是如果我告诉你它距离我们有多远呢？
26000光年。
26000光年相当于是250亿亿千米，这么远的距离想拍到一个直径7000多万千米的环有多困难呢？
我们小时候都用过量角器，满月时从地球上观测月亮的大小，大约是量角器上的0.5度那么大。
如果从地球去观测这个黑洞的话，它的光环大小，大概只有量角器上的一亿分之一度那么大。
你们可以想象它有多么多么小了，这样的情况下，我们该如何拍到它？
其实，我们人类的眼睛就是一个小型望远镜，只是我们看东西用的是可见光波段。而可见光波段的波长，大概是6000埃（1埃=0.1纳米），换成长度相当于是600纳米。
如果我们在可见光波段去观测这个黑洞，望远镜的口径需要造到6千米那么大；
如果用红外波段去观测黑洞，望远镜口径得造到15千米；
如果用毫米波去观测，望远镜要造到1万千米那么大；
用米波的话，望远镜得造到1000倍的地球那么大……
这么大的望远镜，能造出来吗？
事实上，目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜，也就十米那么大，从十米跳跃到六千米，可不是通过努力就可以实现的飞跃。
但是如果用毫米波观测呢？地球那么大的单个望远镜造不出来，但我们有一种技术，叫做VLBI——甚长干涉测量技术。
这种技术的原理是这样的：假设地球上有四台望远镜，东南西北四个方向，我们共同构成了一个网络，这时候我们共同构成的这个等效望远镜，它的等效口径，相当于最远的两台望远镜之间的距离。
这样的话，如果我能够在夏威夷这个位置装个望远镜，在南极再装个望远镜，我的口径是不是就很接近地球的直径了？
通过这样的技术，我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起，在全球六个地点，八个台站，构成了一个EHT的网络，也就是事件视界望远镜网络。
我们去对两个黑洞的模特进行拍照，一个是自己老家银河系的黑洞，还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。
2017年我们共同进行了拍照，花了十天的时间，获得了海量的数据。
这个数据有多大？
对于M87，我们使用了来自七个天文台差不多是五天的数据，大小有3500T。
1T是1000个G，我们平常看的高清电影，最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影，从早看到晚，一个人要300年才能把这些数据全都看完。
如此大的数据量，再把不同的望远镜的数据进行时间延迟的修正等等相关处理、分析。即使有如此强力的超级计算机、如此高效的算法，我们依然花了近两年的时间，才完成了数据处理。
直到2019年4月10号，这张黑洞的照片，终于发布出来了！
用科学的方法打开这张黑洞照片接下来我告诉大家如何去解读这张照片。
首先，我要告诉大家的是，这张照片的颜色——不重要。如果你喜欢用蓝色、绿色，都可以。
那什么最重要呢？
没错，就是这张照片上的亮度。亮度反映的是，黑洞在毫米波这个波段，不同空间区域它的亮度分布。
首先你能在照片上看到一个环，它的南部好像更亮，也就是它有不对称性。
为什么会不对称呢？
假设这个环是正对着我们，我们会觉得上面和下面应该是一样亮的。但是，如果黑洞光环下面的部分偏向我们一点，那么下面就会看起来更亮一些。它的形成原理是多普勒效应。
现在我们看到的是M87星系中心的黑洞，未来的话我们还能看到银河系中心的黑洞。而这样一些照片背后，是一个莫大的团组，由200多名科学家组成。
这其中，来自中国大陆的科学家有16位，他们在参与EHT合作之前，已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作上有了诸多积累。
从前期的国际合作的推动，到望远镜使用时间的申请、去四千米海拔的望远镜场地进行现场观测，再到数据的相关处理、分析，后期论文的写作，全程都有中国学家的身影。
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