第一张黑洞图像

物理学中的“观察”是对现实的简化。

纵观历史，人类一直需要借助光来测量物理现象，但我们的视觉并不十分有效。我们肉眼所能看到的，只是电磁波谱中从380纳米（紫色）到780纳米（红色）这一小段范围内的振动，而图像则是由我们的大脑构建出来的。

光的波长与颜色的概念密切相关，但有些颜色我们永远无法看到，那些位于紫色之外和红色之下的颜色。因此，它们永远不会被我们的大脑所解读。

黑洞的悖论在于，根据定义它本身没有颜色，因为光、物质和能量都被困在黑洞内部。那么，EHT项目（事件视界望远镜）的物理学家们是如何将不可见的超大质量黑洞的信息转化为人类肉眼可见的光的呢？

黑洞保留所有信息。它是一个神秘的天体，其表面既非固态、液态，也非气态，而是一个被称为“事件视界”的纯粹非物质边界。因此，必须发明另一种“看见”不可见之物的方法。

如果黑洞本身不可见，其周围环境却并非如此，正是借助这一点，我们才能确定事件视界，从而看到黑洞的阴影。

根据黑洞理论，事件视界附近的物质在落入这个“巨兽”并被其引力阱永久吞噬之前，会因吸积作用而被强烈加热。但在永久消失之前，周围的尘埃、气体以及曾被潮汐力撕裂的恒星残骸，会发出毫米波波段（肉眼不可见的光）的特征辐射。

这种辐射可以揭示黑洞周围的环境。因此，围绕黑洞旋转的毫米光将通过对比，为我们提供大量关于黑洞的信息（其引力、如何扭曲时空、引力透镜效应等）。总之，尽管黑洞不可见，但它以自身的方式“照亮”了所吸引的物质。

上图展示了一个黑洞，它被自身加热的物质照亮。

利用甚长基线干涉测量技术，天文学家们构建了一台虚拟巨型望远镜，其口径相当于各观测站之间的距离（约1万公里）。他们整合了分布在地球各地（欧洲、智利、美国、夏威夷和南极洲）的八台射电望远镜。

这两个目标是地球上最“显眼”的两个黑洞。第一个目标是人马座A*（Sgr A），它位于我们银河系中心，距离地球2.6万光年，质量相当于太阳的410万倍。另一个目标是超大质量黑洞，其质量是人马座A*的1500倍（相当于60亿个太阳质量），位于5000万光年外巨型椭圆星系M87的核心。

EHT团队每年只有大约两周的时间窗口来尝试分组观测。为了构建高分辨率图像，物理学家们随后必须将网络中不同天线捕获的信号与各自的原子钟相结合。信号的到达时间精确到十亿分之一秒。然后，他们比较并计算信号的起源点，以重建一幅巨大的整体图像。

一次夜间观测收集了2拍字节（2×10¹⁵）的数据。在这海量数据中，可能隐藏着其他信息，有助于我们更深入理解黑洞附近环境中存在的特殊物理现象，尤其是某些黑洞以接近光速向太空喷射的巨大粒子流与辐射流。

存储在 Antarctica 的数据硬盘不得不等待漫长的冰雪冬季结束后，才能被运往 MIT 海斯塔克天文台和波恩的马克斯·普朗克研究所。你现在屏幕上看到的这张首张黑洞图像仅由 33 KB 数据（33 × 10³）构成，其复杂度比所收集的数据低了一万亿倍。

这就是我们大脑的"看见"，将现实的复杂性简化到极致。一个简单的黑色剪影，周围环绕着模糊的光点，就足以让我们感到快乐。

1978年，让-皮埃尔·吕米内（Jean Pierre Luminet，1951年生）考虑到强引力场在时空结构上留下的复杂扭曲效应，以及沿该结构传播的光线轨迹，首次生成了黑洞的虚拟图像。

在他的模拟中，事件视界呈现为略微扁平的圆盘状。黑洞附近的引力场强烈弯曲了光线的路径，使得圆盘的后部被“抬起”。因此，次级图像让我们得以看到吸积盘的另一侧——即位于黑洞背后的部分，它呈现为附着在中央黑色圆盘上的薄薄光晕。但该模拟的主要特征在于圆盘不同区域之间的亮度差异。

固有亮度在地平线附近区域最大，因为此处气体温度最高。对于远距离观测者而言，在气体朝向观测者运动的一侧，接收到的光通量会被放大。

由于观察者相对于黑洞并非静止，这会导致多普勒效应造成图像畸变。黑洞可能因自转运动而产生不对称性，此时黑洞不再呈球形。

此外，黑洞引起的引力透镜效应会放大其事件视界的表观尺寸。