从地球看，黑洞大小相当于月球上的一个橘子，科学家要如何观测？

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造就第439位讲者 左文文

• 中科院上海天文台团委书记
  

“看见”黑洞，一直是人类的梦想。
今天我就给大家讲一个关于黑洞的故事。我想告诉大家：
我们为什么要拍一张黑洞的照片？
我们是怎样拍摄它的？未来，我们还有怎样的期待？

为什么要给黑洞拍照？

大家可能知道，这张照片拍摄的，其实是5500万光年之外一个长得像橄榄球一样的星系中心的超大质量黑洞。它的质量是太阳质量的62亿倍。

我们知道，在宇宙中的每一个大质量星系里，也包括我们的银河系，都存在着一个超大质量的黑洞。
我们已经通过一些间接的方法去判断它们的存在，就好像我们看不到风，但是可以看到风吹动落叶、旗帜，来判断风的存在。
类似的，我们也已经通过一些方法间接地判断黑洞是存在的，比如说观察它周围的恒星气体发出的光，或者是两个黑洞打架产生的引力波。

可是，我们还不满足。人类的好奇心和探索欲，驱使着我们想要知道：
黑洞——它究竟长什么样子？
我可不可以更直接地去看到黑洞？
这就是为什么我们要给黑洞拍一张照片。

给黑洞拍照，究竟有多难？

黑洞，它那强大的引力使得周围的气体会向中间下落。在这个过程中，气体是转动着下落的，就像我们打开洗脸池的出水口，你会发现池子里的水是一边转一边往下流动的。
黑洞也一样，周围的气体，一边旋转一边向黑洞中心掉落，最后会在黑洞周围形成一个发光的腰带，我们称之为吸积盘。

还有一些气体没有被吸进去，这些气体很可能会向外喷射出去，产生喷流。
那么这时候大家会意识到，黑洞其实并不真的是全黑的，在黑洞的周围，有吸积盘、喷流，这些物质都会产生光。
可是，在黑洞视界附近，引力非常强，以至于将光线都弯曲了。
可以想象一下，本来光子都是直线传播的，可是到了黑洞附近，不好意思，它能让你跑的路线都变弯了，还能让你围着黑洞绕圈圈，进而在积累效应下形成一个亮环。光环的内侧因为显得比较暗，所以称作阴影。
这个光环的半径有多大呢？我们来看一下这张图。

左侧的图是我们观测得到的，中间那张图是经过数值模拟的结果。
大家会发现，观测到的好像也没有那么很高清。理论模拟告诉我们，在距离黑洞中心大约2.5倍黑洞半径的区域，会形成一个光环。所谓黑洞的半径，大家可以理解成是在黑洞周围光都无法跑出去的势力范围。
换算成数值的话有多大呢？如果我们把太阳压缩成一个史瓦西黑洞，它的势力范围（半径）就是3000米，也就是3000米内的光线都不能逃出去。

在我们自己的银河系中心，有一个相当于410万倍太阳质量的黑洞。大家可以算一下，一个太阳质量的黑洞，势力范围是3000米，那如果是400万个太阳质量的黑洞，势力范围就是1200万千米。
用上面提到的2.5倍系数换算一下，就能得出这个黑洞光环的直径大概是7000多万千米。光环很大，听起来好像不难拍，但是如果我告诉你它距离我们有多远呢？
26000光年。
26000光年相当于是250亿亿千米，这么远的距离想拍到一个直径7000多万千米的环有多困难呢？
我们小时候都用过量角器，满月时从地球上观测月亮的大小，大约是量角器上的0.5度那么大。

如果从地球去观测这个黑洞的话，它的光环大小，大概只有量角器上的一亿分之一度那么大。
你们可以想象它有多么多么小了，这样的情况下，我们该如何拍到它？
其实，我们人类的眼睛就是一个小型望远镜，只是我们看东西用的是可见光波段。而可见光波段的波长，大概是6000埃（1埃=0.1纳米），换成长度相当于是600纳米。
如果我们在可见光波段去观测这个黑洞，望远镜的口径需要造到6千米那么大；
如果用红外波段去观测黑洞，望远镜口径得造到15千米；
如果用毫米波去观测，望远镜要造到1万千米那么大；
用米波的话，望远镜得造到1000倍的地球那么大……

这么大的望远镜，能造出来吗？
事实上，目前地球上最大的单口径光学和红外望远镜，也就十米那么大，从十米跳跃到六千米，可不是通过努力就可以实现的飞跃。
但是如果用毫米波观测呢？地球那么大的单个望远镜造不出来，但我们有一种技术，叫做VLBI——甚长干涉测量技术。

这种技术的原理是这样的：假设地球上有四台望远镜，东南西北四个方向，我们共同构成了一个网络，这时候我们共同构成的这个等效望远镜，它的等效口径，相当于最远的两台望远镜之间的距离。
这样的话，如果我能够在夏威夷这个位置装个望远镜，在南极再装个望远镜，我的口径是不是就很接近地球的直径了？
通过这样的技术，我们实现了一个等效口径和地球直径相当的望远镜。全世界的科学家一起，在全球六个地点，八个台站，构成了一个EHT的网络，也就是事件视界望远镜网络。
我们去对两个黑洞的模特进行拍照，一个是自己老家银河系的黑洞，还有一个是距离我们5500万光年之外的M87星系中心的黑洞。
2017年我们共同进行了拍照，花了十天的时间，获得了海量的数据。
这个数据有多大？
对于M87，我们使用了来自七个天文台差不多是五天的数据，大小有3500T。
1T是1000个G，我们平常看的高清电影，最多2G。如果把所有这些数据换算成大家看的电影，从早看到晚，一个人要300年才能把这些数据全都看完。
如此大的数据量，再把不同的望远镜的数据进行时间延迟的修正等等相关处理、分析。即使有如此强力的超级计算机、如此高效的算法，我们依然花了近两年的时间，才完成了数据处理。
直到2019年4月10号，这张黑洞的照片，终于发布出来了！

用科学的方法打开这张黑洞照片

接下来我告诉大家如何去解读这张照片。
首先，我要告诉大家的是，这张照片的颜色——不重要。如果你喜欢用蓝色、绿色，都可以。
那什么最重要呢？

没错，就是这张照片上的亮度。亮度反映的是，黑洞在毫米波这个波段，不同空间区域它的亮度分布。
首先你能在照片上看到一个环，它的南部好像更亮，也就是它有不对称性。
为什么会不对称呢？
假设这个环是正对着我们，我们会觉得上面和下面应该是一样亮的。但是，如果黑洞光环下面的部分偏向我们一点，那么下面就会看起来更亮一些。它的形成原理是多普勒效应。
现在我们看到的是M87星系中心的黑洞，未来的话我们还能看到银河系中心的黑洞。而这样一些照片背后，是一个莫大的团组，由200多名科学家组成。

这其中，来自中国大陆的科学家有16位，他们在参与EHT合作之前，已经在黑洞的高分辨率成像和理论分析工作上有了诸多积累。
从前期的国际合作的推动，到望远镜使用时间的申请、去四千米海拔的望远镜场地进行现场观测，再到数据的相关处理、分析，后期论文的写作，全程都有中国学家的身影。
最重要的是，EHT的“八大金刚”（望远镜）当中，位于夏威夷的一台望远镜JCMT是我们中国大陆出钱出力运营的，这是一个非常了不起的贡献。未来我们还在期待银河系中心黑洞的照片诞生。

对这些黑洞照片的研究，对它背后数据的研究，能让我们更好地了解黑洞、引力，甚至于整个宇宙。
希望大家能够因此明白，黑洞不是科幻小说里虚构出来的。黑洞，不黑。


编辑：李莹
校对：其奇
智力支持：共青团上海科学技术工作委员会

造就：剧院式演讲，发现创造力

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本文选自：今日头条

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〔宇宙定律〕

一 、物质的电磁力{吸引力}{反推力}

物质存在电磁力，同一种物质介质相互吸引，不是同一种物质介质相互推。多的物质会把少的物质推成圆球，因为两种物质都在推，而且同一种物质任何一点推力都一样大。推力又称为反推力反推力是很均匀的力。被推成球型的物质任何一点向外发出推力都一样大，但两种物质的反推力不一定是一样大。又因两种物质都在使劲推少的物质被迫成圆球。圆球是物质组成的不是空的所以有个球面称为圆球面。圆球面所受到的反推力越往球中心力线越密承受的推力越多。因圆球面任何一点都承受来自各个方向的力必然有一条力线经过球心垂直于球心，所以从球面到球心越往中心垂直力线越密越多所受到反推力也越大。故而球心所承受的反推力最大。故而越远离球心所承受的反推力越小越少。
只要中心有物质压力重力的天体，它的最外层表层必须是球形（圆球），天体的球面如果变成方形……中心不但没有物质压力而且重力也不存在。
二、光聚焦 能量聚焦、热能量聚焦、正负（反）能量聚焦

光与一切物质同在充满整个物质世界。太阳、恒星、一切星系是光聚焦取得能量，只有光永远聚焦才能永远发光发热。我们看到的会发光发热的星星、星系、恒星、太阳、行星中心，行星的卫星中心、地球中心、小行星中心、慧星中心、都是光聚焦的中心。 星星、星系、恒星、太阳、行星的外面外层都有一个圆球面可以光聚焦到中心。圆球面是平凸透镜、凹凸透镜, 只要形成平凸透镜、凹凸透镜就可以光聚焦。
光聚焦……光是用不完的循环的。
三、对环流层{上层与下层对环流}
自转与公转运动的动力层，宇宙间天体的公转自转都是有对环流层推动带动运动的。同一个星球自转有对环流层推动自转……公转有对环流层带动运动，自转与公转运动是二个环流层，二个对环流层不是在同一个中心上的。没有大气层或有大气层大气只对流不进行对环流的星球（孤独行星、流浪行星）、行星、小行星、行星的卫星是一定不会自转的。
???………………………………

【真实的宇宙形态结构】

宇宙是时间无限空间无涯物质有限世界。空间存在着一个一个大型的物质世界它们是没有相连被真空隔离。各个物质世界都遵循同样的物理规律，我们生活在其中一个大型物质世界里。
我们的大型物质世界最多最外层的物质紧紧的吸引在一起它的外型是可以任何形态。它把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的大圆球每一个大圆球都有一个圆球面及一个中心，我们就在其中一个大圆球面里面。这个大圆球内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的大圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心，其中一个大圆球就是我们的圆球……………………总星系。总星系有一个圆球面及一个中心。在总星系圆球面内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的大圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心。其中一个大圆球就是我们的圆球银河系它有一个圆球面及一个中心。银河系内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心，其中一个大圆球就是我们的圆球太阳系它有一个圆球面及一个中心，太阳系内最多的物质又把比它少的一切各种各样不相混合的物质反推成一个一个许许多的圆球每一个圆球都有一个圆球面及一个中心，其中一个就是地球系（包括月球），地球是中心它的圆球面在月球之外，地球气态圆球面内的最多气态物质又把月球及其他各种各样不相混合的气态物质反推成一个一个圆球。

这些大大小小从大到小的圆球刚刚形成光‘就聚焦在它们的中心点上使中心发光发热，太阳、行星中心、银河系中心、总星系中心、星系中心、恒星都是有光聚焦才发光发热的。因光聚焦在中心点上发光发热就会发生对流 对环流。每一个中心点上有一组或多组对环流层，接近中心的对环流层可带动中心转动自转，远离中心的对环流层可推动天体、星系、恒星、物体、物质、行星等等绕中心公转。月球有气态层只有局部的对流没有对环流所以没有自转只有公转，月球公转是地球最外面的一组对环流层推动月球绕地球公转的……其它行星的卫星公转类同。靠近地壳的对环流层(有对流层与中间层组成交替环流）带动地球自转其他行星自转类同。地球月球在同一个圆球面内被太阳系的对环流层推动绕太阳公转的其他行星公转类同。太阳系圆球面内全部行星被银河系的对环流层推动绕银河系中心公转的其他恒星系公转类同。银河系圆球面内的恒星系被总星系的对环流层推动绕总星系中心公转的其他星系仙女系公转类同。总星系圆球面内的星系被更大的对环流层推动绕更大的中心公转。就这样以此类推外面外层到底有多少层次我不敢下决定…… 根据天文文明可能有三十六层