2019年4月10日，人類拍攝的第一張黑洞照片面世之后，有很多人把它比喻成甜甜圈、電熱器，甚至是蜂窩煤。也有不少人表示“不明覺厲”，甚至還有人認為這壓根就是個騙局。
EHT項目拍攝的黑洞照片
那么，這一首張黑洞照片到底是怎樣拍攝的？這張照片到底能反映什么信息？中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文學(xué)教授袁業(yè)飛是中國16位參與黑洞照片拍攝項目的科學(xué)家之一。由袁嵐峰領(lǐng)銜的PLUS節(jié)目特邀袁業(yè)飛教授對這次拍攝黑洞照片作了解讀。
拍攝黑洞是一個布局地球上不同地理位置的望遠鏡全方位聚焦宇宙空間的國際合作項目，叫做“事件視界望遠鏡”，Event Horizon Telescope，簡稱EHT。介紹說，EHT是一個毫米波的甚長基線干涉測量技術(shù)（very long baseline interferometry. VLBI）。VLBI的意思就是說通過把地球上不同地方的望遠鏡組網(wǎng)觀測，這樣從分辨率的角度看，就相當(dāng)是組成了一個和地球半徑一樣大的望遠鏡。因為對于兩個毫米波望遠鏡而言，隨著地球的自轉(zhuǎn)，它會掃出一定的面積，也就是像地球那么大口徑的一部分。這叫綜合孔徑技術(shù)，我們國家的探月工程也用到了這樣一個VLBI的技術(shù)。
參與了EHT項目的望遠鏡
由于“事件視界望遠鏡”（EHT）需要毫米波段的天文望遠鏡組網(wǎng)拍攝黑洞照片，而在東亞的中國、日本等國家尚無自己的這種望遠鏡參與黑洞照片拍攝，即使是中國的FAST也只能服務(wù)于某些波段的研究，所以中國、日本等國家只能租用美國的望遠鏡。
袁業(yè)飛教授說，中國參與到EHT項目，我們和東亞的幾個國家組成一個虛擬的天文臺，叫東亞天文臺。東亞天文臺負責(zé)運營維護美國在夏威夷的一臺毫米波的望遠鏡，叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠鏡（JCMT：James Clerk Maxwell Telescope）。美國的戰(zhàn)線拉得很長，他們現(xiàn)在已經(jīng)沒有足夠的經(jīng)費來運營、維護這臺望遠鏡了。我們東亞幾個國家合作運營維護這臺望遠鏡，EHT只是其中一部分工作，我們還可以拿它來做別的科學(xué)研究。
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠鏡
這個項目是一個大型的國際合作，有200多個科學(xué)家一起工作。具體來說，有很多個工作組，有負責(zé)觀測的、有負責(zé)設(shè)備更新或設(shè)備技術(shù)改造的，而對觀測數(shù)據(jù)的分析、處理即所謂的“洗照片”又是另外的工作組。還有理論組，袁教授負責(zé)的是理論工作，除了拍攝之前的理論預(yù)測，就是在照片出來之后怎么建模、如何從物理上來解讀黑洞照片。
袁業(yè)飛教授表示，這張人類首次拍攝的黑洞照片反映了黑洞周圍氣體動力學(xué)和輻射方面的一些信息。黑洞作為宇宙中的天體它有兩個重要的特征：首先它有一個奇點，它的所有質(zhì)量都集中在這個奇點；另外它有一個特征的勢力范圍，也就是視界，物質(zhì)一旦落入到這個視界就變成黑洞的一部分，哪怕是光進入視界也是這樣的結(jié)局，也就是即使是光也出不來了。這里所謂的“視界”，是指我們能夠看到的黑洞最內(nèi)區(qū)的邊界。
袁老師在讀初中的時候，他父親為他買了一本科普書：《天體是怎樣演化的》。這本書講了恒星的形成和星系的演化，這是他對天文感興趣最早的一個啟蒙。后來袁業(yè)飛老師對相對論非常感興趣，他覺得相對論真正有用的地方就是強引力場，就是黑洞。他的研究課題主要集中在黑洞天體物理方面，也就是黑洞周圍的強引力場下的一些物理過程和輻射。
對于黑洞到底長什么樣子？許多年來天文宇宙物理學(xué)家們都只是一個理論上的建模。EHT項目組網(wǎng)拍攝黑洞照片，袁業(yè)飛老師直接參與這個工作，有機會驗證自己的理論設(shè)想，不能不說是一件非常激動人心的事情。
袁業(yè)飛教授說，大家從照片上能看到黑洞的陰影，這是中心的shadow，也就是黑洞視界的大小。黑洞周圍的氣體接近于光速在運動，這和我們的理論預(yù)言基本上是一致的。黑洞周圍的氣體是一個盤狀的幾何結(jié)構(gòu)，但這個盤并不完全垂直于我們的視線方向，而是和我們的視線方向有一個傾角。有的物質(zhì)它會朝向你運動，有的物質(zhì)是背離你運動。比較亮的部分，實際上是朝向你運動的，也就有更多的光子輻射到達地球，所以你看起來更亮一點。
世界上有很多不同的望遠鏡，它們各自適合于不同的目的。據(jù)袁業(yè)飛教授介紹，我國的FAST望遠鏡的工作波段不在毫米波，不適合拍攝黑洞照片。毫米波的望遠鏡一定要放在海拔高的地方，因為毫米波被地球大氣的水汽、水分和氧氣吸收得非常厲害，而FAST在貴州的大窩凼（dàng），它的毫米波被大氣吸收、水汽吸收是非常厲害。
FAST望遠鏡
我們現(xiàn)在的通用型光學(xué)望遠鏡，口徑最大的是云南天文臺在麗江的2.4米望遠鏡。美國在100年前就有兩米級的望遠鏡，他們的哈勃望遠鏡就是兩米級的，在100年前就發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹。在天文觀測方面，我們現(xiàn)在和國外比還有很大的差距。
云南天文臺YF0SC望遠鏡
但是，中國在宋朝即1054年對世界天文有一個很大的貢獻——欽天監(jiān)的記載——最早發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云，一個超新星爆發(fā)。欽天監(jiān)詳細地記錄了1054年超新星爆發(fā)的方位、亮度以及隨著時間的演化。這個對世界天文的研究是非常重要的。
蟹狀星云
首張黑洞照片驗證了廣義相對論是正確的。袁教授說，廣義相對論被驗證是正確的，它改變了我們的時空觀。按照經(jīng)典的牛頓力學(xué)，我們的時空觀是絕對的，也就是時間和空間是獨立的，而且它們都是絕對的。也就是說，時間和空間不依賴于物質(zhì)，物質(zhì)對時空沒有影響。狹義相對論第一次改變了我們的時空觀。在狹義相對論里面把時間和空間統(tǒng)一了，時空不是時間和空間，時空就是一個四維的。
當(dāng)愛因斯坦建立了的廣義相對論之后，又進一步地改變了我們的時空觀。在狹義相對論里面，時間和空間雖然統(tǒng)一了，但時間和物質(zhì)沒有相互作用，也就是時空仍然是絕對的。在廣義相對論里面，時間、空間和物質(zhì)就發(fā)生了相互作用：時空影響物質(zhì)的運動，物質(zhì)又會影響時空的性質(zhì)。物質(zhì)和時空發(fā)生相互的影響，這在哲學(xué)上面也是讓我們很滿意的。
現(xiàn)代物理學(xué)有兩大支柱，一個是量子力學(xué)，一個是相對論。驗證了相對論，也就是驗證了我們物理學(xué)大廈的兩個支柱是牢固的。另一方面，我們的GPS定位實際上是要考慮地球引力場的，甚至地球轉(zhuǎn)動的影響。雖然這只是在弱場下的一個修正，但這個修正非常重要。
既然黑洞照片證實了宇宙中黑洞的真實存在，那么我們就不能夠忽視它。
