事實就是，黑洞和宇宙空間都是黑色的，所以我們很難對黑洞進行成像。黑洞雖然體積很小，但質量卻極其地大，黑洞中充滿了足夠多的物質以供天文學家們觀測，然而卻不是那麼容易就讓人觀測到。
圖片：現今著名的採用微波光譜拍攝的M87*的實際照片
上述圖片是位於M87*星系中心的超大質量黑洞（SMB）。幾乎每個星系的中心部位都有一個超大質量黑洞，這並不是巧合，它們在星系的形成過程中不可或缺。一個星系的SBM幾乎都是該星系的死點位置，其質量大小與其母星系的質量成比例（或者稱之為它的母星）。銀河系的超大質量黑洞——人馬座A*，質量約為410萬個太陽，已經相當大了。但是M87*的質量約為61億個太陽，比人馬座A*大了1000倍以上，即使以超大質量黑洞的標準來說M87*也相當大了。
人馬座A*是迄今為止距離地球最近的SMB（僅26000光年遠），當然了，我們之間還隔著 一個銀河系，我們必須從充滿各種物質的銀河系圓盤中遠眺才能看到它。而M87*與我們相距5400萬光年，所以從某方面來說，M87*簡直是個怪獸。雖然從銀河系的角度來說，它其實並不遠（畢竟在夜晚你還能看到銀河），但是它確實是極其地遙遠。當我們生命之樹上的枝椏還很小時，人類還只是一種可愛的幾乎不被歸為靈長類動物開始在恐龍消失後的星球上繁衍時，來自於M87*的光才開始釋放，而直到今天才被我們接收到用以拍攝M87*的照片。
總而言之，M87*比人馬座A*大了一千倍，遠了兩千倍，但更易成像。
簡單來說，「M87」，這個無趣到令人驚訝的名字源於梅西耶（作為一個法國人，他的名字發音為「梅-西-耶」）。當時，天文學家們以用自己名字命名彗星而聞名（仿照哈雷），梅西耶也想參與其中。然而事實證明，對於18世紀的望遠鏡來說，天空中有太多模模糊糊看不清的東西，有可能是彗星，也有可能不是。所以，梅西耶把那些他不想再看第二次的東西列了個清單，而這個「忽視清單」則是他到現在還被人記住的原因（順便說一下，他還是發現了一些彗星的），M87星系剛好在「忽視清單」上序號87。
圖片：左圖：我們星系的圓盤（從星系內部看）遮住了我們周圍的一圈天空，包括星系的中心（人馬座A*所在地）。右圖：M87是一個超巨型星系，在5400萬光年外肉眼可見。但作為一個橢圓星系，它看起來就像鏡頭上一個汙點，那條藍色的小尾巴是一股等離子流（兩種等離子流中的一種），從氣體盤中流出後落入M87*至少有5000年。
當這個模糊的甜甜圈狀的氣體物質雲落入星系中會被加熱並離子化。M87*雖然比海王星的軌道大很多，但卻比掉入它的物質雲要小得多，所以掉入的氣體雲達到一個臨界值時就會產生摩擦和壓縮，和熱量。會產生一個比我們太陽系大得多的太空熱風暴，風暴 的中心黑暗處並不就是黑洞，而是缺少氣體。萬有引力的大小與距離的平方成反比：距離減小一半，引力增至4倍；距離減至三分之一，引力增至9倍。在牛頓的萬有引力定律中，物體繞某點運動的軌道大小是沒有限制的，但在愛因斯坦的（修正）萬有引力公式中，平方反比定律只是在一個低重力情況下發揮效用的近似值（基本上，牛頓的萬有引力對於除了黑洞之外的情況都應用得很好）。結果表明，黑洞有一個最內層的穩定軌道，軌道半徑是施瓦茲奇爾德半徑的三倍（黑洞半徑的三倍）。任何試圖靠近軌道的物體都會盤旋進入，這個甜甜圈的邊緣就是最內層的穩定軌道，氣體只能在被吸入黑洞前發出最後的光芒。
M87*周圍氣體的溫度基本相同，但是因為黑洞在螺旋運動，它的一邊在向我們運動，另一邊則正相反。與此同時存在一種叫「相對論光束」的效應（通常很難注意到），朝我們運動的一側看起來更亮，高速運動的物質在其運動的方向上發出更多的光（儘管從物質本身的角度來看，它仍然在各個方向均勻地發射光）。
我們幾乎可以保證能在M87*周圍看到熾熱的氣體雲，因為除了其他一些劇烈的現象之外，黑洞還會彎曲周圍的光線。這並不是黑洞所獨有的，我們每次看到光經過某個大質量的天體時都會看到「引力透鏡效應」。事實上，廣義相對論最早的證實之一是1919年的日食期間，在太陽的周圍看到了原本位於其背後的恆星。因此，黑洞不是唯一能夠彎曲光束的天體，但它們確實提升了藝術性；它能夠完全改變光線的方向，甚至使其直接進入黑洞軌道，而不是使光線稍微偏轉。所以當你看到黑洞周圍有一股熱氣流時，這股熱氣流可能實際上是位於黑洞的背後。不管熱氣體盤的位置如何，黑洞的周圍總會出現氣體。
引力透鏡不僅僅只是娛樂屋的鏡子只有混淆影像的作用，事實上引力透鏡給我們的幫助很大。暗斑的大小實際上是黑洞大小的三倍（最內部的穩定軌道），但透鏡效應的放大作用會進一步放大它。
圖片：前景中「紅色斑點」星系的引力，LRG 3-757，把光線彎曲成一個星系，以至於它看起來像一個環。這樣的引力透鏡可以讓我們透過觀察質量如何扭曲遙遠物體的影像來質量的分佈，有時甚至被有意（作為透鏡）使用。以便更好地看到所述遠處的物體。
我所瞭解的一個永遠正確的詛咒是：你從不感到驚訝，且很少被邀請參加聚會。新的黑洞的照片實際上並不是一個發現，但它是一個驚人的成就。正如我們今天所理解的，黑洞最初是在施瓦茲奇爾德將最新出版的愛因斯坦廣義相對論方程應用到一個稠密的物質球上，然後繼續推導時被理論化的。現代物理學有一個既定的軌道，從基本假設開始，建立可驗證的理論，然後應用這些理論得出每個人都認為太瘋狂而不可能是真的的結論。而黑洞，是真實存在的，這是一個很好的每個人都認為太瘋狂而不可能是真的結論。
如今，你很難再找到一個還不相信黑洞的存在極其基本的、整體的性質的天文學家或者物理學家。當然，在某些細節問題上他們還有爭議，這並不奇怪，畢竟他們是科學家。一系列的的觀測結果已經完全符合黑洞的預測性質，雷射干涉引力波天文臺（LIGO）正在進行的引力波探測完美地符合黑洞合併所產生的引力波。位於星系核心的恆星以光速的1%的速度（對於任何非粒子的恆星來說，光速都是極其地快）繞著一個暗而緊湊的「放射源」執行——類星體是宇宙中最明亮、能量最高的物體，它們的模樣能被落進超大質量黑洞的氣體雲描述出來，但在其他方面還是完全神秘。
那麼，當天文學家最終得到一個真實黑洞的直接影像時，他們期望得到什麼呢？基本上就是我們現在所看到的，用來預測真實影像的模擬結果意料之中的準確。
圖片：由黑洞模擬器生成的（非模糊）影像
如果這個模擬照片和實際影像完全不同的話，那反而更好，比如說實際的照片是個笑臉圖案或者之類的，只有當我們預測出錯了或者對結果感到驚訝甚至兩者皆有時，科學才會進步。這張新圖片的作用是給廣義相對論的驗證更添一層保障，這的確是好事。擁有一個始終正確的傑出理論是遠遠不夠的，你還必須給它任一個可能出錯的新機會。
從理論上講，我們並沒有收穫很多。就像經驗物理學中「吃你的蔬菜」一樣。我們所獲得的都是透過努力得到的，以前沒有這樣做是因為太難了。M87*距離地球約5400萬光年，直徑約380億公里，使得M87*相對於地球的張角為42微秒。要知道一個圓有360度，1度有60弧分，1個弧分有60弧秒，一百萬個微秒。42微秒就相當於500公里外一根頭髮的張角。
因而問題來了：這實在是太小了。對於一個有衍射極限的望遠鏡來說，它的解析度是有一個極限值的，這個衍射極限和光的波動性有關。你的望遠鏡構造得越完美，就越接近這個衍射極限，但不能更好了。如果望遠鏡的主透鏡或者反射鏡的直徑為D，所採用光的波長為W，那麼你能分辨出的最小角度（以弧度為單位）大約是1.22W/D，所以波長越短，望遠鏡越大，照片越清晰。現在著名的黑洞影像就是用波長為1.3毫米的微波光拍攝的，這意味著要得到一箇中心黑暗的模糊圓圈（「嘿，這是一個黑洞！」）而不是模糊的汙點（「嘿，有可能是黑洞的氣體雲！」），你需要一個直徑為幾千公里的望遠鏡。問題又來了：這實在是太大了。
而地球的直徑恰好為幾千公里，所以我們只需要一種能把整個地球的直徑利用起來的方法。事件視界望遠鏡（EHT）——一個由望遠鏡組成的國際合作專案，它指向M87*的有效口徑大小跟地球的大小差不多。常規的望遠鏡透過收集光線並將其聚焦在探測器上來形成影像。來自遙遠光源的光波撲面而來，又經反射鏡反射到達焦點。如果反射鏡是標準的拋物面，根據幾何原理這一步是自動完成的，因為每束平行光線都需要相同的時間來聚焦（這是拋物面所具有的有利特性之一）。
圖片：為了發揮作用，望遠鏡會反射光線，假如入射光束來自正確的方向，那麼它們會同時到達探測器。左圖：常規望遠鏡中，鏡子的形狀使其能自動完成這個功能；右圖：事件視界望遠鏡必須強行把光波重新組合，這需要大型的計算機來完成達到極高的精度。
如果鏡子的一部分缺失了，沒關係。光波仍然能夠同時到達焦點，但其中的一些波只是透過而不能被探測到。所以事實上，EHT不需要覆蓋一個地球的大小，它只需要把鏡子的每部分分散到地球上。但是仍然存在一個巨大的問題：從M87*發出的光從未聚焦在同一焦點上，而是將每個單一的望遠鏡陣列接收到的資訊記錄下來（通常透過將硬碟載入到望遠鏡上收集資料），然後使用超長基線干涉測量（VLBI）技術進行處理。「超長基線」是指單個望遠鏡之間的距離非常長，「干涉測量」是指將收集到的光波進行干涉處理。
干涉處理非常重要，僅僅得到每個望遠鏡所看到的是不夠的。讓光波的波前同時到達探測器是望遠鏡有效工作的一個非常重要的部分。畢竟，除了目標物體之外的物體發出的光也會被探測器探測到，只是到達探測器的時間不同。到達時間不同的光線會干涉相消。因此，兩大挑戰是：資料整合，同時準確知道到達地球的目標光束何時被每個不同的望遠鏡探測到。你需要能夠分辨出當前波前和下一個波前，如果兩個波前相距1.3毫米，且以光速前進，那麼你就需要準確地區分相隔4皮秒（4萬億分之一秒）的兩個波前。
所以，每個望遠鏡都需要全新的原子鐘和超快相機。接下來你就會明白為什麼資料整合看起來更像是貨物運輸而不是電子郵件的附件；每秒數萬億次的快照不僅是為了捕捉波前，而且當資料都處理完時，波也會消失不見。除此之外，要想知道（通常是在事情發生之後）每個探測器進行轉向時移動了任一毫米，以及地球的自轉，都會帶來很大的影響。
此外，這張照片確實拍得好。從地球上看最大的兩個黑洞——人馬座A*（它很近）和M87*（它很大），都能透過類似EHT的望遠鏡進行成像。但是如果說技術的總體發展歷史有一個跡象的話，那就是——第一次幾乎是不可能實現，而第一千次幾乎是令人髮指的容易。我們很快就能拍到M87*更好的照片，也能拍到人馬座A*的照片。一旦我們在整個地月空間（月球軌道內的空間）建立一系列空間望遠鏡，我們將能夠得到每個附近星系核心位置的超大質量黑洞（SMB）的照片，這就是科學真正開始的時候。自1980年以來，低成本的地球軌道已經下降了99% ，總體來說，太空飛行的價格在未來幾十年會大幅下降，因此建立一組大型太空望遠鏡不是什麼大問題。
M87*的模糊影像是進入一種全新的天文學研究的第一步，它將超乎你想象地迅速變成一種常規化研究。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
translate: 雷射干涉儀
author: The Physicist
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