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重要信息：人类史上首张黑洞照片有望在年内面世，经过全球200多位科学家数年的努力，人类史上首张清晰的超级黑洞照片有望在今年年内面世。
- 黑洞，正如电影《星际穿越》中所描述的那样，在一个非常特定旋转黑洞的类别中相当精确地展示了一个事件视界。图片：Interstellar / R. Hurt / Caltech
黑洞是宇宙中最令人难以置信的天体之一。在如此微小的体积中，有如此之多的物质聚集在一起，以至于单个物质粒子不能像常态一样保持它们的状态，而是坍缩成一个奇点。围绕着这个奇点的是一个被称为事件视界的球形区域，即使它以宇宙的最高速度移动——光速也是无法逃脱。虽然我们知道形成黑洞的三种不同的方式，并且已经发现了数千种黑洞的证据，但从来没有直接“看到”过黑洞。尽管已经发现了这些，但从未见过黑洞视界，甚至没有证实确实有黑洞。今年这一切将会改变，因为第一个结果将会被揭示，回答了天体物理学中最长久的问题之一。
- 计划中的无线电天线的位置是事件视界望远镜阵列的一部分。图片：Event Horizon Telescope / University of Arizona
黑洞的概念并不是什么新鲜事物，正如科学家们几个世纪以来所研究的那样，当把更多的质量聚集到一个给定的体积内时，就必须以更快的速度从它所产生的引力中逃离出来。因为有一个最大的速度（即速度是有上限的——光速），任何信号都能以光速传播——超过这个点，从这个区域内的任何东西都被困住了。内部的物质会试图对抗引力坍缩，但它试图发射的任何力携带的粒子都会向中心奇点弯曲；向外推是不可能的。因此，奇点是不可避免的，被事件视界包围着。是否有任何东西落入事件视界也被困？从事件视界内，所有路径都指向中心奇异点。
- 活跃黑洞的例子，一个吸积物并且在两个射流中加速的一部分，可能在很多方面描述了我们星系中心的黑洞。图片：Mark A. Garlick
实际上，我们知道有三种机制来创造真正的天体物理黑洞：
1、超大质量恒星演化成超新星爆炸时中心核可能坍塌将超新星前星的大部分转化为黑洞
2、当两颗中子星合并时，如果合并后的质量大于2.5~2.75太阳质量就会产生黑洞
3、如果一颗大质量恒星或气体团能够直接坍塌，也会产生一个黑洞，其中100％的初始质量会进入最后的黑洞
插图一是个简单的黑色圆圈，一个事件视界可能是什么样的。图片：Victor de Schwanberg
随着时间的推移，黑洞可以继续吞噬物质，同时在质量和体积上都有所增长。如果黑洞的质量加倍，它的半径也会增加倍。如果增加10倍，半径也会增加10倍。这意味着随着的黑洞增长，它的视界会变得越来越大。由于没有任何事物可以逃脱，事件视界在空间上应该是一个黑色的“洞”，阻挡了它后面的所有物体的光线，并且由于广义相对论效应，引力弯曲使得更加复杂。预计事件视界将会出现，其规模将达到预测的250%。
- 黑洞不仅仅是一个叠加在孤立背景上的质量，而且还会表现出由于引力透镜引起的背景光的拉伸，放大和扭曲的引力效应。图片：Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universitt Hildesheim; Axel Mellinger (background)
考虑到所有这些因素，我们可以看到所有已知的黑洞，包括它们的质量以及离地球的距离，并计算出谁是最大的黑洞。人马座A *银河系中心的黑洞，它只有27000光年远，但仍能达到惊人的大质量，是太阳的4百万倍。有趣的#二号黑洞是M87的中心黑洞：室女座星系团中最大的星系。尽管它的质量超过太阳60亿倍，但距离地球有五千万至六千万光年。如果你想看到一个事件视界，那么我们自己银河中心就是最佳的观测点。
- 事件视界望远镜的模拟显示了黑洞事件视界的一些可能的轮廓信号。图片：High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enabled by Beamformed ALMA, V. Fish et al., arXiv:1309.3519
如果有一个像地球一样大小的望远镜，而且与黑洞之间没有任何东西阻挡，那么就可以看到它。有些波长对于介入的银河物质是相对透明的，所以如果看看无线电波这样的长波长光线，可能会看到事件视界本身。现在没有一个与地球大小相当的望远镜，但是我们在全球都有一系列的射电望远镜，还有把这些数据结合起来产生一幅图像的技术。“事件视界”望远镜将我们目前最好的技术结合在一起，并使得能够看到第一个黑洞。
- 不同望远镜的视图，有助于“事件视界”望远镜有地球半球的成像能力。数据是在陆续收集，应该能够在未来一年内检测（或不检测）射手座A *周围的事件视界。图片：APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
而不是一个单一的望远镜，15到20个射电望远镜排列在全球，同时观察同一个目标。距离最远的望远镜在12000公里以上，可以分辨15微秒（μas）的物体：月球上的飞行物的大小。鉴于射手座A *的质量和距离，预计会是两倍以上的：37μas。在无线电频率上应该看到大量的带电粒子被黑洞加速，但在事件视界本身所在的位置应该有一个“空白”。如果我们能够正确地把这些数据结合起来，那么应该能够第一次构建一个黑洞的图像。
- 在广义相对论中，有五种不同的模拟，使用黑洞吸积盘的磁流体动力学模型，以及无线电信号的结果。注意所有预期结果中事件视界的清晰特征。图片：GRMHD simulations of visibility amplitude variability for Event Horizon Telescope images of Sgr A*, L. Medeiros et al., arXiv:1601.06799
由事件视界望远镜组成的望远镜在去年同时拍摄了第一次观察人马座A *的照片。数据已经被整合到一起，目前正在准备和分析。如果一切都按照设计来运作，将在2019年拥有第一张图片。它会像广义相对论预言的那样出现吗？有一些不可思议的事情要测试：
1、无论黑洞的大小是否与广义相对论预测的一样、
2、事件视界是否为圆形(如预测的)或扁平化或延长，
3、无线电发射是否延伸得比我们想象的还要远、
4、是否与预期行为有任何其他偏差。
- 吸积盘的朝向（左两个面）或边缘（右两个面）可以大大改变黑洞被我们看到的特征。图片：'Toward the event horizon—the supermassive black hole in the Galactic Center', Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)
无论我们做了什么，都准备通过构建第一个黑洞图像来实现难以置信的突破。不再需要依靠模拟或艺术家的概念图；我们将有第一个实际的，基于数据的图片来处理。如果成功的话，它为更长时间的基线研究铺平了道路。有太空射电望远镜阵列，可以把范围从一个单一的黑洞扩大到数百个。如果2016年是引力波年，2017年是中子星合并年，那么2019年将成为事件世界发生年。对于任何天体物理学，黑洞和广义相对论的爱好者，都生活在黄金时代。曾经被认为“不可测试”的东西突然变成了现实！
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文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
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