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后記

目前，經過近兩年的數據處理和分析，第一次全球合作的EHT觀測數據已經得到結果，M87星系中央黑洞的圖像也已面世，為驗證廣義相對論提供了最直接的視覺證據。此時，筆者有幸再次來到JCMT，聽聞它將新安裝一個345GHz的接收機用來進行下一輪EHT觀測，這意味著未來將得到更清楚的VLBI圖像，也是對目前結果的多重驗證。如果說黑洞的圖像是EHT系統開出來的花朵，那就讓這朵花開得更絢麗些吧。

快問快答

本文作者還就相關問題采訪了嘉賓清華大學物理系、清華天體物理中心樓慶宇教授

問：所謂“拍攝黑洞”本質是什么意思？我們是通過什么“看”到黑洞的？

樓慶宇：球對稱的靜止黑洞有一個“事件視界”（event horizon），也稱Schwarzschild半徑。在其內的物質和光子都無法逃逸出來，所以稱為“黑洞”。長期以來，我們一直通過黑洞與周邊的物質和輻射場的作用（例如常常提到的吸積盤）來推測黑洞的存在及估計其物理參數。軸對稱的旋轉黑洞（Kerr解）有其相應的“事件視界”，基本物理理解同上。旋轉黑洞附近時空會被嚴重彎曲拖曳，快速旋轉的吸積盤物質的電磁輻射在此彎曲時空中傳播成像。人們可以通過此類模型的參數調整擬合與觀測到的吸積盤物質的電磁輻射像來獲取黑洞“事件視界”的輪廓像。我們是在這個意義上“拍攝黑洞”或稱“看”到黑洞的。

問：為什么EHT（Event Horizon Telescope） 會選擇銀河系中心和室女系M87中心這兩個“事件視界”半徑最大的黑洞作為首要目標？其中M87距我們有5000多萬光年之遙，其成像難度是不是比距我們2.6萬光年的處于銀河系中心的黑洞大很多？

樓慶宇：EHT在毫米波段運用的甚長基線干涉陣列技術（Very Long Baseline Interferometry--VLBI）有非常高的角分辨率，又因為有十多個毫米波望遠鏡和陣列的共同參與，EHT的靈敏度空前地高。EHT的角分辨率可以用1毫米（觀測波長）來除以1萬公里（約地球直徑）來大致估計，即百億分之一。銀河系中心的黑洞和室女系M87 （Messier 87, also known as Virgo A or NGC 4486）中心的黑洞都屬于所謂的超大質量黑洞（Supermassive Black Hole -- SMBH），前者是400萬太陽質量，后者是64億太陽質量。Schwarzschild半徑Rsch=2GM/c^2，這里G是萬有引力常數，M是黑洞質量，c是真空中的光速；故太陽質量對應的Schwarzschild半徑約是3公里。請注意，Schwarzschild半徑與黑洞質量M成線性比例。EHT選擇較近的超大質量黑洞作為首要目標是自然合理的。再注意，5000多萬光年與2.6萬光年的比值約2000。64億太陽質量的超大質量黑洞與4百萬太陽質量的超大質量黑洞的比值約1600。故兩個黑洞看起來大小差不多。這就是為什么EHT同時選擇這兩個目標進行觀測。

問：天體物理一般怎么處理觀測數據和模型之間的關系？該如何評估數據分析的可信度？

樓慶宇：在這次EHT的觀測中， 我們想象有吸積盤，吸積盤有輻射，里面有黑洞，黑洞或許還是旋轉的，會極度拖拽扭曲時空，周邊的吸積盤可能是以相對論速度在轉，輻射出來的東西現在能看到的只是毫米波段的，最終能看到光子在扭曲的時空里怎么走。這個模型里有很多參數，比如黑洞質量、吸積盤離黑洞的距離、吸積盤質量、吸積盤大小、吸積盤往外延伸多遠、吸積盤是否平整，甚至吸積盤里等效的粘滯系數等一系列的參數都不是很確定。但無論如何，我們構建一個模型，有些參數相對更可靠一些，有些差一點，然后根據參數成像。參數需要反復調整，最后據此制造一個模型的像，使之跟望遠鏡的像相近。那么會不會有其他參數也能成同樣的像？原則上有可能，同一個像有可能對應著幾種不同的參數，參數不一樣圖像就不一樣，意味著數據分析的結果并不惟一。但可以根據其他一些因素進行分析，最終推測是否只有某一種最為合理。如果結果不那么惟一，理論家之間就會對模型有所爭執，但仍舊會根據已知的信息判斷哪一個更為合理一點，日后有條件再進行獨立驗證。有些研究的結果聽起來是非常合理的，比如Hans Bethe的熱核反應，計算和理論預計吻合得很好，但是都涉及模型的構建問題。

采訪未經本人審閱

圖片均來源于公眾號文章

本文原載于微信公眾號“返樸”，觀察者網獲得授權轉載

《返樸》，國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧教授聯袂擔任總編。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯系fanpu2019@outlook.com。