2018年我们取得了许多突破性的进展（详见：《2018年，十大科学发现》），但还有许多基本的大问题依然困扰着我们（详见《42个大问题》）。2019年，有许多值得期待的科学事件，但最值得期待或许还是我们即将看到黑洞事件视界的第一张图片。
随着时间的流逝，人类积累的知识总量只会不断增加。2015年初，人类还从未探测到引力波；而现在，我们已经探测到了11个，预计2019年可能还会发现数百个。在20世纪90年代初，我们不知道太阳系外是否有行星；今天，我们知道有成千上万颗这样的星球，其中一些几乎可以被认为是与地球类似的。
我们已经找到了标准模型中的所有粒子；我们发现宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀；我们已经确定了宇宙中存在多少星系。但2019年，一件前所未有的新的事情将会发生：我们将首次描绘出黑洞的事件视界。所有的数据都已就位，剩下的只是时间问题。
○ 这里模拟的是银河系中心的黑洞，这是我们从地球视角能看到的最大黑洞。2019年，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）将首次拍摄到这颗银河系中央黑洞的事件视界的样子。白色圆圈表示黑洞的史瓦西半径。| 图片来源：UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER
一旦知道要寻找什么，黑洞是相当容易被探测到的物体。这似乎有违直觉，因为黑洞本身不发光，但它们确实有三个确凿无疑的特征，使我们满怀信心地确定它们就在那里。
黑洞在非常小的空间中产生巨大的引力——空间的扭曲/弯曲。如果我们能观测到大而致密的质量的引力效应，我们就能推断出黑洞的存在，并有可能测量它的质量。
黑洞强烈影响着它们周围的环境。它附近的任何物质不仅会感受到强烈的潮汐力，而且会加速和升温，导致它从事件视界外发出辐射。当我们探测到这种辐射时，我们可以重建为之提供能量的物体的属性，而这通常只能用黑洞来解释。
○ 黑洞的引力是如此的强大，以至于连光进入到它的掌控范围都无法逃脱。黑洞的基本结构包括了隐藏在一个事件视界内的奇点。在事件视界内，逃逸速度（V逃逸）超过了光速（c），因此一旦物体落入就永远被困住了。
黑洞可以彼此旋进，并最终合并在一起，导致它们在短时间内释放出可探测到的引力波。这只能用引力波天文学这项新科学来探测（详见《时空的秘密》）。
然而，事件视界望远镜（EHT）的目标是比这些方法更进一步。不像以上的三种手段，它并不是通过测量来间接推断黑洞的性质，而是直击核心——拍摄黑洞事件视界的图像。这样做的方法简单而直接，但从技术角度而言，这直到最近才成为可能。原因是两个在天文学中通常密切相关的重要因素的结合：分辨率和光收集。
○ 宇宙中最远的X射线射喷射来自类星体GB 1428，从地球上看，其距离和年龄与类星体S5 0014 81差不多，而后者可能是宇宙中已知最大黑洞的栖居地。这些遥远的庞然大物被认为是由合并或其他引力相互作用激发的，但只有质量与距离比最大的黑洞才有机会被事件视界望远镜分辨。| 图片来源：X-RAY: NASA/CXC/NRC/C.CHEUNG ET AL; OPTICAL: NASA/STSCI; RADIO: NSF/NRAO/VLA
因为黑洞是如此致密的物体，我们必须达到极高的分辨率。但是因为我们寻找的不是光本身，而是光的缺失，我们需要非常仔细地收集大量的光来确定事件视界的阴影究竟在哪里。
○ 超大质量黑洞的周围会形成一个由气体、尘埃和恒星碎片组成的吸积盘。吸积盘的朝向是面朝上（左边两张图）还是边缘朝上（右边两张图），会极大地改变黑洞在我们看来的样子。| 图片来源：'TOWARD THE EVENT HORIZON—THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER', CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013)
传统上，分辨率更高的望远镜和光收集能力更好的望远镜应该是同一台望远镜。望远镜的分辨率是由穿过望远镜的光的波长数量决定的，所以口径更大的望远镜有更高的分辨率。
同样的道理，能收集到的光的量是由望远镜口径大小决定的。任何撞击望远镜的光子都会被收集起来，所以望远镜的口径越大，收集光的能力就越强。
分辨率一直是个重大的限制因素。黑洞的外观大小与其质量成正比，但与它离我们的距离成反比。要想从我们的角度看到最大的黑洞——位于银河系中心的人马座A*——需要一个大约相当于地球大小的望远镜。
○ 在银河系核心的超大质量黑洞附近已经发现了大量恒星。除了这些恒星和我们发现的气体与尘埃，我们预计，在距离人马座A*短短几光年的范围内，将会有超过10000个黑洞存在，但直到2018年初，要找到它们都很困难。要探测到中央黑洞是一项只有事件视界望远镜才能完成的任务。| 图片来源：S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP
显然，我们没有足够的资源来制造这样的设备！但我们还有下一个优势：建造一系列望远镜的能力。当我们有一个望远镜阵列时，光收集能力依然只是所有单个望远镜的总和；但在精巧的设计下，望远镜阵列的分辨力却是惊人的。
换句话说，光收集确实受到望远镜尺寸的限制。但是，如果我们使用长基线干涉测量技术（或者它的同类，甚长基线干涉测量技术，VLBI），那么分辨率可以通过使用彼此间距很大的望远镜阵列大大提高。
事件视界望远镜是一个由15-20个望远镜组成的网络，这些望远镜分布在地球上许多不同的大陆上，从南极洲到欧洲、南美洲、非洲、北美洲、大洋洲，以及太平洋上的一些岛屿。总而言之，阵列中距离最远的望远镜相距12000公里。这转化为分辨率就是15微角秒（μas），如果一只苍蝇位于400000公里之外的月球上，那么它看起来就是这么小。
○ 散布在全球的一系列望远镜组成了事件视界望远镜，可以提高成像能力。从2011到2017年的数据应该能够让我们现在构建出人马座A*的图像，或许还有M87中心的黑洞的图像。| 图片来源：APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN
当然，月球上可能没有苍蝇，但是宇宙中确实存在角距大小超过15μas的黑洞。事实上，有两个这样的黑洞：银河系中心的人马座A*和M87星系中心的黑洞。M87中心的黑洞位于5000万到6000万光年之外，但它的质量约66亿个太阳质量，比我们银河系中心的巨型黑洞大1000多倍。
○ 这是从地球上看到的第二大的黑洞——位于M87星系中心的黑洞的三张图像。尽管它的质量有66亿个太阳质量，却比人马座A*的距离还要远2000多倍。它或许可以被EHT探测到，或许不能，但如果宇宙是善良的，我们终究会得到一个图像。| 图片来源：TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE
事件视界望远镜的工作原理是，利用大量的射电望远镜同时观测这些黑洞，这使我们能够重建一个超高分辨率的图像，无论观测的是什么物体，只要收集到足够的光来观测它。以前，许多天文台已经证实了这个概念，例如大型双筒望远镜（Large Binocular Telescope），它成功地拍摄到了木星的卫星——木卫一（Io）上火山爆发的图像。
因此，让事件视界望远镜工作的关键是，确保我们收集到足够的光线来观察黑洞事件视界投射出的阴影，同时成功地对来自黑洞周围和后面的光进行成像。黑洞会加速物质，带电粒子的加速不仅会产生磁场，如果带电粒子在磁场的存在下加速，还会产生辐射。
最安全的选择是查看频谱的射电部分，也就是能量最低的部分。所有加速物质的黑洞都应该会发射射电波，我们从银河系中心和M87星系的中心都看到过它们。区别在于，在新的、高分辨率望远镜下，我们应该能够发现事件视界本身所在处的“空白”。
能够构造这些图像的技术革命来自于ALMA：阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列。66台射电望远镜组成一个难以置信的网络，所有的射电望远镜本身都是巨大的，通过测量这种长波段的光（无线电波）来揭示前所未有的天文细节。
○ 阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）与它头顶的麦哲伦星云。作为ALMA的一部分，大量彼此靠近的望远镜有助于创建一些区域的许多最详细的图像，而少量较远的望远镜有助于在最明亮的位置磨合细节。| 图片来源：ESO/C. MALIN
阿塔卡马已经向我们展示了新形成的恒星周围的尘埃盘的图像，以及在内部形成的婴儿行星（圆盘上环状的空隙）的证据。ALMA能以一种甚至比哈勃望远镜更高级的方式拍摄超遥远的星系，并且已经发现了分子气体特征和内部旋转。
但ALMA最大的科学贡献也许将是，从围绕这些超大质量黑洞的光中收集到的所有信息。足够快地写下足够多的（正确类别的）数据，然后用足够强的计算能力把它们结合起来并进行分析，直到现在，这才第一次成为可能。
○
○ 到2018年初为止，可以成功地适用于视界望远镜的数据的两种模型。两种模型都显示出一个偏离中心的、不对称的视界，相比于史瓦西半径是扩大了的，这与爱因斯坦广义相对论的预测一致。完整的图像还没有向公众公布。| 图片来源：R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1
联系客服
