光之信使：黑洞照片背后的科学与技术

M87黑洞，人类史上的第一张黑洞照片来源：EHT Collaboration2017年，来自5500万年前的一群光子来到地球。它们的故乡不是理论预言或科幻想象，而是宇宙中切实存在的不可思议之地。在地球上不同地点的研究者们严阵以待，操纵着巨大机器稳稳地接住了这些旅行者，并在接下来的两年内，认真分析它们带来的海量数据。2019年4月10日，地球的人们在一张图像上首次看见了这些光子的身影，而研究者们也在论文起首自豪地宣告：“我们报告了第一张黑洞图像。”这些光子是如何从宇宙中最神秘的地方启程，携带着关于大质量恒星最终命运的信息，跨越难以想象的距离来到地球，并被人们所观测？让我们试图回到它们启程之处，重新经历它们的一生。一、光子启程光子们的故乡是M87星系（室女A星系）。M87是银河系附近质量最大的星系之一，呈现椭圆的形状。如果把星系想象成一座巨型王国，其中每一个恒星团都是一座都市，那么M87星云国共大约有12000个城市，这些城市围绕王国的中心旋转着，而这个中心就是我们好奇的黑洞。它离地球约5300-5500万光年，质量相当于65-66亿颗太阳，可能是某个过去的大质量恒星在其生命结束时坍塌形成的、密度极大的物质。M87黑洞能够吸引周围的一切，也包括光。那么我们闪耀的主角是如何诞生的呢？这里有三种可能的来源：带电粒子的同步加速辐射、高温气体摩擦的热辐射、相对论性喷流辐射。M87黑洞被密度极高的气体和尘埃所环绕，即 “吸积盘”。由于黑洞的强大引力，吸积盘以超高的速度绕黑洞运转，其中包含许多带电粒子，它们受磁场影响不断改变运动方向，沿运动切线方向辐射出光子（电磁波），即同步加速辐射。同时，吸积盘非常稠密，其中的物质摩擦生热，又向外辐射出光子，像一个巨大的熔炉。由于吸积盘内侧气体（等离子体）的运转速度比外部更快，造成了一个高度扭曲且强大的磁场，等离子体沿着黑洞两极的磁力线喷射出来，即相对论性喷流辐射，又形成一批高能光子。想象一下，就好像是在温度极高的湖泊中一个有巨大的漩涡，而漩涡中央爆发出极高的间歇泉。在黑洞惊人的能量释放过程中，光子得以启程。

黑洞的吸积盘与喷流来源：Astronomy从M87黑洞诞生的光子能量很广，微波、可见光、X射线、伽马射线都有可能。一部分高能光子由于波长较短，较容易与微观粒子发生相互作用或被一些。反而是一些能量较低的光子（微波、射电波/无线电波）由于波长较长，可以绕过小尺寸的尘埃颗粒，畅通无阻地穿越广阔宇宙。但在光子传播的过程中，宇宙也在持续膨胀，光子的波长被拉长，即发生红移效应。根据量子力学E=h⋅ν= hc/λ（h为普朗克常数，ν为频率，c为光速，λ为波长），当波长λ增加时，光子的能量也在逐渐减少，最终到达地球的光，已然和最初从M87诞生的光相差甚远。而地球上的人们若想抓住神秘且快速的旅行者，就需要一台巨大的机器。二、机器捕捉当光子穿越宇宙，地球上已经发生了翻天覆地的变化。人类意识到眼睛这种感受器的局限性，利用可见光的传播规律，不断地更新迭代望远镜。从能看见邻近行星的折射与反射式望远镜，到如今悬浮于地球大气层外的X射线、伽马射线望远镜，人们一直在思考如何捕捉光子，来更全面地观察星体。对于M87黑洞，首先需要决定的是，想要观测什么波段的光子？研究者们选择了微波波段，因为它的波长恰恰好，既不是那么“短”，又不是那么“长”。一部分波长很短的高能光子（X射线、伽马射线）在来地球的途中就已经被吸收或散射了，而观察波长更长的电磁波（无线电波）则需要一台口径比地球还大得多的望远镜，难以短期内实现。

电磁波谱来源：维基百科但是观察微波也需要一台口径和地球直径相当的望远镜，因此一个庞大的计划诞生了—— “事件视界望远镜”（EHT,Event Horizon Telescope）。它并不是一座望远镜，而是由位于智利、墨西哥、美国、格陵兰岛、南极的八台望远镜等效组合而成的巨大“虚拟望远镜”。中科院上海天文台也作为合作单位，保障了EHT中夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT）的运行。“事件视界”指黑洞周围的临界面，一旦有任何物质或光线跨越这个界限，就再也无法逃逸到外部，因此人们无法直接观测到其内部的任何事件。正如其名，EHT展示着想要直面极限的决心。

观测M87黑洞的EHT望远镜成员来源：EHT Collaboration、光明网理论预测，M87黑洞的大小约为40微角秒，大约是一枚硬币放在月球上时从地球看过去的张角。为了能够解析这么微小的结构，望远镜的分辨率必须高于这个数值。望远镜分辨率θ≈1.22λ/D（λ为观测波长，D为望远镜有效口径）。如果想要分辨率尽可能的小于40微角秒，且考虑到现有的技术及设备可行性，经过不断的理论推演，EHT选择使用1.3毫米（230 GHz）的微波波段进行M87黑洞的观测。EHT采取的技术名为“甚长基线干涉测量技术”（VLBI,Very-Long-Baseline Interferometry）。不同地点的天文望远镜配备有高精度的原子钟，以便精准地在同一时刻接受到深空天体传来的微弱信号。每一台望远镜收集到的数据都被记录在了硬盘上，一同运输到数据处理中心进行对比与合成，消除噪音并提取有效信息，最终被合成为一张人们可见的图像。2017年4月的四个夜晚，天气晴朗无云，地球上的多台望远镜准备好迎接光子之雨。它们成功地接受到了遥远宇宙的回音。自此，光子的宇宙旅程暂告一段落，但人类必须要为自己的同伴重现它们的身影。三、信息重现从EHT望远镜上收集到的海量数据，以千万亿字节（PB）为单位，就像光子旅行结束后带来的庞大行李，需要经过精细的整理。数据处理分为三个步骤：首先是数据对齐，在“相关器”（correlator）这台超级计算机中，不同望远镜的数据被精确比对并计算相似性将分散的信号整合成一个统一的干涉信号。其次是数据校准与质量控制，这是非常耗时且重要的一步，研究者们利用复杂的算法和已知的校准源，细致地剔除噪音和偏差，确保每一个数据点都真实可靠。最后一个步骤最具挑战性，即图像重建。EHT使用的VLBI技术只能收集到部分空间频率信息，需要从几条不完整的线索中推理出整个画面。研究者们没有依赖单一算法，而是采用了多种独立开发的成像算法。其中最著名的是CLEAN算法。该算法的步骤是，首先在重建的图像中找到最亮的点（最强的信号源），其次假设最亮点是一个完美的点源，计算它在干涉数据中会产生什么样的伪影，然后从原始数据中减去这个点源及其伪影。依次重复上述过程不断迭代后，将所有被减除的“点源”合成到一起，形成一张没有伪影的“干净”图像。为了确保结果的可靠性，EHT组织建立了四个完全独立的分析团队，每个团队都从头到尾使用不同的算法进行分析，且互不沟通。最终，四个团队都得到了高度一致的结果：一个明亮的环形结构，以及中心清晰可见的黑暗区域，即我们看见的M87黑洞照片。尽管我们与一群特殊的、来自M87黑洞的光子同行，但宇宙中充满着无数的光子，每一个来自遥远星系的微弱光芒，都承载着一段古老的故事。光传递的并非当下的即刻变动，而是已然发生的历史事件。它以超越想象的距离将信息传递到我们面前，让我们无需近距离接触，便能感知宇宙深处极端天体的存在与演化。光，作为宇宙最古老的信使，不仅是回溯历史的载体，更在无形中照亮了科学前行的未来之路，成为推动人类不断探索的永恒动力。

       原文标题 : 科普征文 | 光之信使：黑洞照片背后的科学与技术