后记

目前，经过近两年的数据处理和分析，第一次全球合作的EHT观测数据已经得到结果，M87星系中央黑洞的图像也已面世，为验证广义相对论提供了最直接的视觉证据。此时，笔者有幸再次来到JCMT，听闻它将新安装一个345GHz的接收机用来进行下一轮EHT观测，这意味着未来将得到更清楚的VLBI图像，也是对目前结果的多重验证。如果说黑洞的图像是EHT系统开出来的花朵，那就让这朵花开得更绚丽些吧。

快问快答

本文作者还就相关问题采访了嘉宾清华大学物理系、清华天体物理中心楼庆宇教授

问：所谓“拍摄黑洞”本质是什么意思？我们是通过什么“看”到黑洞的？

楼庆宇：球对称的静止黑洞有一个“事件视界”（event horizon），也称Schwarzschild半径。在其内的物质和光子都无法逃逸出来，所以称为“黑洞”。长期以来，我们一直通过黑洞与周边的物质和辐射场的作用（例如常常提到的吸积盘）来推测黑洞的存在及估计其物理参数。轴对称的旋转黑洞（Kerr解）有其相应的“事件视界”，基本物理理解同上。旋转黑洞附近时空会被严重弯曲拖曳，快速旋转的吸积盘物质的电磁辐射在此弯曲时空中传播成像。人们可以通过此类模型的参数调整拟合与观测到的吸积盘物质的电磁辐射像来获取黑洞“事件视界”的轮廓像。我们是在这个意义上“拍摄黑洞”或称“看”到黑洞的。

问：为什么EHT（Event Horizon Telescope） 会选择银河系中心和室女系M87中心这两个“事件视界”半径最大的黑洞作为首要目标？其中M87距我们有5000多万光年之遥，其成像难度是不是比距我们2.6万光年的处于银河系中心的黑洞大很多？

楼庆宇：EHT在毫米波段运用的甚长基线干涉阵列技术（Very Long Baseline Interferometry--VLBI）有非常高的角分辨率，又因为有十多个毫米波望远镜和阵列的共同参与，EHT的灵敏度空前地高。EHT的角分辨率可以用1毫米（观测波长）来除以1万公里（约地球直径）来大致估计，即百亿分之一。银河系中心的黑洞和室女系M87 （Messier 87, also known as Virgo A or NGC 4486）中心的黑洞都属于所谓的超大质量黑洞（Supermassive Black Hole -- SMBH），前者是400万太阳质量，后者是64亿太阳质量。Schwarzschild半径Rsch=2GM/c^2，这里G是万有引力常数，M是黑洞质量，c是真空中的光速；故太阳质量对应的Schwarzschild半径约是3公里。请注意，Schwarzschild半径与黑洞质量M成线性比例。EHT选择较近的超大质量黑洞作为首要目标是自然合理的。再注意，5000多万光年与2.6万光年的比值约2000。64亿太阳质量的超大质量黑洞与4百万太阳质量的超大质量黑洞的比值约1600。故两个黑洞看起来大小差不多。这就是为什么EHT同时选择这两个目标进行观测。

问：天体物理一般怎么处理观测数据和模型之间的关系？该如何评估数据分析的可信度？

楼庆宇：在这次EHT的观测中， 我们想象有吸积盘，吸积盘有辐射，里面有黑洞，黑洞或许还是旋转的，会极度拖拽扭曲时空，周边的吸积盘可能是以相对论速度在转，辐射出来的东西现在能看到的只是毫米波段的，最终能看到光子在扭曲的时空里怎么走。这个模型里有很多参数，比如黑洞质量、吸积盘离黑洞的距离、吸积盘质量、吸积盘大小、吸积盘往外延伸多远、吸积盘是否平整，甚至吸积盘里等效的粘滞系数等一系列的参数都不是很确定。但无论如何，我们构建一个模型，有些参数相对更可靠一些，有些差一点，然后根据参数成像。参数需要反复调整，最后据此制造一个模型的像，使之跟望远镜的像相近。那么会不会有其他参数也能成同样的像？原则上有可能，同一个像有可能对应着几种不同的参数，参数不一样图像就不一样，意味着数据分析的结果并不惟一。但可以根据其他一些因素进行分析，最终推测是否只有某一种最为合理。如果结果不那么惟一，理论家之间就会对模型有所争执，但仍旧会根据已知的信息判断哪一个更为合理一点，日后有条件再进行独立验证。有些研究的结果听起来是非常合理的，比如Hans Bethe的热核反应，计算和理论预计吻合得很好，但是都涉及模型的构建问题。

采访未经本人审阅

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《返朴》，国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁教授联袂担任总编。关注《返朴》（微信号：fanpu2019）参与更多讨论。二次转载或合作请联系[email protected]。