這是第一張事件視界的照片，他的意義不言而喻

圖解：2017年4月，事件視界望遠鏡合作專案在全球使用8個射電望遠鏡陣列指向室女A星系（星系87）進行為期5天的觀測結果。這就是超級黑洞的真實影像，其事件視界清晰可見。(圖片源於：事件視界望遠鏡合作組織及相關組織)

多樣性不僅僅是生活的調味品，也是宇宙生命發展的自然結果。遵循普遍定律，重力在眾多組合物中創造了多種物質叢集。小到稀薄的大氣，大到巨大恆星，聚集成了星系、雲團以及巨大的宇宙網。

身處地球的我們雖可以看到浩瀚的宇宙，但也僅僅是管中窺豹，只見一斑。當最大品質的恆星死亡，黑洞便形成了：此時巨大的品質被塞入一個非常小的體積內，任何訊號都無法逃離出去。這也是我們可以探測到黑洞周邊的物質和光，卻看不到事件視界內的原因。

第一次成功獲取事件視界的影像，是我們科學界一個不可思議的巨大成功。

圖解：從地球上觀測到的視大小居第二的黑洞--位於M87星系的中心--是銀河系黑洞品質的1000倍，與地球的距離是銀河系黑洞的2000倍。M87黑洞中心噴出的相對論噴流是迄今為止發現的最大、最直的噴流之一，也是我們發現的首個事件視界。（圖片源於歐洲航空局/哈勃望遠鏡(ESA/HUBBLE)、美國國家航空航天局(NASA)官網）

一、我們看到了什麼？

我們所觀測到的內容取決於我們的觀測點、觀測方法。如果我們想看到事件視界，則地球視角里最大的黑洞便是觀測的最佳選擇，這就意味著要使黑洞的實際大小與距地球的距離的比值最大。然而宇宙中可能存在著數億個黑洞，迄今為止，我們所知道的比值最大的黑洞位於距離地球大約25000光年的銀河系中心。

基於事件視界的視大小，銀河系中心黑洞是地球可見的最大的黑洞，其品質相當於400萬顆太陽。而視大小第二的黑洞是位於M87星系中心的黑洞，它與我們之間的距離約為6000萬光年，且品質遠超銀河系黑洞，相當於66億顆太陽。

圖解：事件視界望遠鏡捕捉到的6000萬光年以外M87黑洞事件視界的本來面目。事件視界望遠鏡重新計算出黑洞的品質約為66億太陽品質。（圖片源於事件視界望遠鏡組織及相關機構)

此次事件視界望遠鏡的觀測目標為銀河系黑洞（人馬座A*）以及M87星系黑洞。最初，科學家們預計銀河系中心的黑洞（人馬座A*）比M87星系黑洞稍微大一點，可惜至今卻未得出任何關於人馬座*的影象。

當我們觀測宇宙的時候，並不是總能順利地達到我們的目標。我們得到的更多是宇宙展現給我們的一面，因此儘管人馬座A*在視覺上更大，科學家卻率先觀測到了M87星系黑洞，因為它更明亮，傳遞的訊號更清晰。

我們的探測結果是非常壯觀的，影象中心的那些小黑點，其實是事件視界本身的輪廓。我們探測到的光來自事件視界周圍會產生電磁輻射的高速高溫的物質，這些物質存在的地方就一定會有無線電波，黑色圓形區域就是因為事件視界隔離了這些無線電波所形成的。

圖解：X射線/紅外線成像。來自銀河系中心黑洞-人馬座A*，人馬座A*被炙熱的不斷髮射X射線的氣體所包圍著，其品質相當於400萬顆太陽。（X射線：NASA/麻省大學Amherst/王博士及其他相關機構，紅外線：NASA/太空望遠鏡科學研究所）

對於M87，我們看到了我們所期望看到的一切。而人馬座A*，我們就沒有那麼幸運了。當我們觀察一個黑洞的時候，我們嘗試觀測的是星系中心超大品質黑洞周圍的無線電背景。而黑洞的事件視界就在這些無線電的前面，形成一個輪廓。想要獲取這樣的影像，必須滿足以下三點要求：

1、合適的解析度。這意味著你想要看到的物質在你的望遠鏡(或望遠鏡陳列)裡至少必須是一個以上的畫素。

2、星系擁有高強度無線電波。這意味著你所觀測的星系中的無線電背景要足夠強，才能和視界的輪廓形成鮮明對比。

3、透明射線。這意味著可以不受前景訊號的干擾，順利地到達黑洞.

（上圖：噴流-來自哈勃望遠鏡/NASA/WIKISKY。左下圖：電波成像-來自美國國家電波天文臺/射電望遠鏡甚大天線陣。右下圖：x射線成像-來自NASA/錢德拉X射線望遠鏡）

上圖為地球上視大小第二的黑洞—M87黑洞的三個角度觀測圖。上圖為哈勃望遠鏡拍攝到的M87黑洞噴流。左下圖為美國國家電波天文臺（NARO）的電波成像，右下圖為錢德拉X射線望遠鏡（Chandra）拍攝的X射線成像。

儘管M87黑洞與地球距離比人馬座A*還要遠2000倍，但其品質相當於66億顆太陽，因此科學家通過事件視界望遠鏡成功觀測到了M87黑洞，而不是天馬座A*。

我們已經在不同波長的光線中觀察過多次黑洞周圍的發射的電波，包括光譜的無線電部分。M87滿足所有三個必要標準，而銀河系黑洞卻沒有足夠的信噪比產生影象。我們對地球視野中兩大黑洞的成像都非常感興趣，可惜我們目前仍無法按照自己的意願去觀察宇宙。

在地球上能看見的第三大黑洞位於遙遠的NGC 1277星系中心。儘管視界望遠鏡能將觸及這個星系，但是這裡的無線電波非常弱，以至於黑洞的輪廓無法顯現。第四大黑洞位於仙女座星系，與我們的距離並不遙遠，但即使我們使用視界望遠鏡，也觀測不到他的輪廓。

圖解：事件視界中不同望遠鏡的檢視，有助於“事件視界”望遠鏡有地球半球的成像能力。資料是從2011年至2017年持續收集，尤其是2017年的資料，足以幫助我們首次構造出黑洞的事件視界影象。(阿塔卡馬探路者實驗（APEX）, IRAM 30米望遠鏡（IRAM）, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN)

二、我們是怎麼看見黑洞的呢？

這是最吸引人的部分。與任何其他望遠鏡一樣，事件視界望遠鏡需要收集兩方面的資料才能交叉得出某個閾值。

事件視界望遠鏡需要足夠的光照才能區分訊號和噪聲、區分無線電強、弱的區域，區分黑洞周圍的區域和星系中心的其他區域。

事件視界望遠鏡需要極高的解析度才能精準地在宇宙中定位。

只有滿足以上兩點，事件視界望遠鏡才能幫助我們看見宇宙物體，其中就包括黑洞。由於黑洞的角度非常小，想要利用事件視界望遠鏡看見它需要克服很多困難。

圖解：據估計，銀河系中心的黑洞是地球視大小最大的。就在2019年4月10日，事件視界望遠鏡首次得到了黑洞視界的影象。事件視界的大小（白色部分）與無光照區域的大小（黑色部分）的比值與廣義相對倫的推斷和黑洞本身的品質完全相符。 (UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER)

因為黑洞周圍區域的執行速度很大，區域內由帶電粒子組成的物質會產生強大的磁場。當一個帶電粒子經過磁場，就會產生輻射，這就是無線電訊號產生的原理。即使一個直徑只有幾米的中型電射望遠鏡，也足以收到這些訊號。要想在噪音中收集到有用的訊號，一定的聚光能力是很容易滿足的，但是解析度要達到要求就很有挑戰性了，這完全取決於能穿過望遠鏡的直徑的不同波長的光的數量。要想看到星系中心體積很小的黑洞，我們需要一個直徑為5000米的光學望遠鏡；在電波較長的星系中，我們甚至需要直徑長達12000000米的望遠鏡。

這張圖標出了觀看視界望遠鏡（EHT）和全球毫米VLBI陣列（GMVA）的望遠鏡具體位置。它第一次成功為品質極大的黑洞事件視界成像。(ESO/O. FURTAK)

這就是為什麼事件視界望遠鏡如此強大而聰慧。它觀測黑洞時所運用的技術被稱為特長基線干擾測量法（VLBI），而這種技術需要至少兩臺望遠鏡，可以從兩個不同位置進行相同型別的測量，並將兩個它們結合在一起。

同時利用各地的望遠鏡測量，你不僅獲得兩個碟形望遠鏡收集的資料的彙總，還能利用碟形望遠鏡之間的距離進行推斷。將多個望遠鏡分佈在跨越地球直徑的地方，這樣我們就能收集到能讓我們看到視界的所有資料了。

圖解：計算能力與資料執行速度始終是EHT所做研究的限制因素。原EHT研究開始於2007年，那個時候還完全不能實現今天的資料處理。以下是科學家Avery Broderick在一段談話中的節選。(PERIMETER INSTITUTE)

“資料傳輸率真的讓人難以置信：

·它能夠以每秒2300億次檢測的速度記錄一段電波。

·相當於每個站點每秒記錄8GB的資訊。

·8個站點的望遠鏡同時不間斷執行一小時，觀測資料則高達225TB。

·持續工作1周，就能收集27PB（拍位元組）的資料！

科學家從M87星系收集到的資料整整有5PB，所有的這些資料都是為了得到一個黑洞的成像。”

圖解：麥哲倫星雲下的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波天線陣（ALMA） 大量碟形天線組成了ALMA的一部分，它們為收集宇宙中的細節影象做出了巨大貢獻。少數碟形天線分佈在較遠的地方，它們負責觀測明亮處的細節。正因為ALMA收集到的資料與視界望遠鏡所收集的資訊結合在一起，才能使黑洞視界的成像成為可能。(ESO/C. MALIN)

三、我們收穫了什麼？

我們的收穫還是可觀的，在未來一段時間會公佈更過細節詳情。但是，現在我們有4個重大收穫可以分享給大家。

第一，黑洞是確實存在的！這一點是最重要的。人類提出了很多黑洞不存在的可能性，但是這一張事件視界的直接成像足以推翻所有的疑慮。我們現在不僅僅有來自LIGO科學合作組織的間接證據-星系中心周圍軌道引力的測量以及來自X射線雙星的資料，我們還有直觀的視界影象。

第二，廣義相對論又一次對了！這太令人興奮了！運用愛因斯坦的理論，科學家預測到視界不是扁圓形的或扁長的，而是球狀的。另外，沒有無線電的區域大小則完全取決於黑洞的品質。據廣義相對論推斷，最內層穩定的圓形軌道，正是最後逃離黑洞引力的明亮光子。

在一個全新的檢驗形式中，廣義相對論再一次完勝！

圖解：基於黑洞相對於我們的方位，我們對銀河系黑洞在視界望遠鏡中的成像進行了模擬（該模擬基於以下假設：事件視界存在、相對論等式成立、所有引數都適用於該系統）。這些模擬實驗從2009年開始，已達10年之久。(IMAGING AN EVENT HORIZON: SUBMM-VLBI OF A SUPER MASSIVE BLACK HOLE, S. DOELEMAN ET AL.)

第三，我們對黑洞周圍無線電的預測模擬是非常成功的！這讓我們不僅可以非常獲知黑洞周圍的環境，還掌握了環繞黑洞執行的物質和氣體的動力學。這是非常了不起的成就！

第四，我們知道了通過引力推斷出的黑洞品質是正確的，而通過X射線觀測中推斷的黑洞品質整體偏低。對於M87星系，這兩種估計值的差異係數為2；對於人馬座A*，兩種估計值的差異係數為1.5。

我們現在知道了“重力”是一個研究方向，因為通過M87星系重力推測的66億太陽品質和視界望遠鏡估計的65億太陽品質高度一致。而用X射線觀測的結果則偏低。

圖解：我們在銀河系中心的超大品質黑洞周圍發現了大量恆星。在紅外線觀測下，這些恆星的軌道可以在人馬座A*幾光年內被跟蹤到，有助我們估計中心黑洞的品質。相似的計算方法也被用於M87星系的黑洞計算中，但要更復雜一些。通過M87星系直接地解析黑洞，我們就能清楚的看到通過引力推斷出來的品質與視界望遠鏡觀測的實際數值更匹配。而X射線觀測的結果卻不然。 (S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

通過事件視界望遠鏡的科學研究，我們將會獲知到更多的東西：我們可以了解黑洞為什麼會爆發、吸積盤中是否會出現類似熱汽泡的瞬態特徵；我們可以通過中心黑洞的位置變化推斷出大品質黑洞周圍那些更小的不可見的小黑洞；隨著我們對黑洞越來越多的認知，我們可以了解重力和X射線這兩種計算黑洞品質的方法是否適用於所有宇宙物質；我們還可以了解吸積盤是否與宿主星系有固定的相對位置。

圖解：吸積盤不同的方向會使我們觀測到的黑洞成像截然不同，上圖左邊兩張是黑洞的正面，右邊兩張是黑洞的邊緣。我們現在還不太清楚黑洞和吸積盤之間是否存在一種固定的排列或隨機排列。(‘TOWARD THE EVENT HORIZON — THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER’, CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

基於目前的觀測結果，我們不能解決這些問題，但這僅僅是研究的開端呀！我們處於能夠利用視界望遠鏡直接觀測黑洞的時代，我們清楚地知道黑洞存在，我們確定事件視界是真實的，我們知道愛因斯坦的引力理論（星系中心的超大品質物體就是黑洞）被一種前所未有的方式證實了，關於星系中心的龐然大物是不是黑洞的疑慮被解決了。

黑洞是真實存在的，而且它們十分巨大。由於視界望遠鏡的驚人成就，我們看見了人類從未見過的宇宙頻譜中的無線電部分。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 漏雲-英子- medium