拍摄到 M87黑洞的相片是当代“大科技”的重大成果。黑洞里面有什么物理过程?为什么选定M87黑洞？请看附件吴庆文教授的解答。
注：等吴教授说完了，我们再来分析。
袁萌 陈启清 4月12日
附件：
北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这是人类诞生以来，第一次见到黑洞的照片。
黑洞呈圆环形，中心灰暗，外围被一圈橙黄色的光晕包裹，下方比上方更明亮。有人说它像甜甜圈，有人说它像猫的眼睛，还有人说它像铸造中的魔戒。
而在一年前，吴庆文见到它时，第一反应是：爱因斯坦的预言真的灵验了。
吴庆文是华中科技大学物理学院的一名教授。2016年，他加入了“事件界面望远镜”项目，和来自全球的200多名科学家一起，计划为黑洞拍一张照片。
从理论分析、实际观测到数据处理，他们分成数十个小组，花了三年多的时间，把黑洞的样子展现在了世人眼前，也终于证实了黑洞的存在。
“在2016年发现引力波之后，人们寻找到了爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图”，吴庆文说。这意味着人类对黑洞的研究、对宇宙的探索迈入了全新的阶段。
4月11日，在黑洞照片发布的第二天，我们与这位在照片拍摄、冲洗过程中，承担理论分析工作的教授聊了聊。
我们要给黑洞拍照片
剥洋葱：你为什么会对黑洞感兴趣？
吴庆文：我研究生在中科院上海天文台，期间一直做的课题就是黑洞，还有吸积盘。黑洞本身是大家关注的，它因贪婪闻名于世，是一个时空漩涡，由弯曲的空间和弯曲的时间构成。黑洞有一个视界，其内部时空高度扭曲，所有物质掉入它的范围，都会消失得无影无踪，奔向奇点，连光都不例外。我觉得这很好玩，就一直坚持下来了。
剥洋葱：你是什么时候加入“事件视界望远镜”项目的？这个项目的目标是什么？
吴庆文：早在2015年，我们就开始陆陆续续讨论，怎么样才能够看到黑洞，需要用多大的望远镜来观测等等问题。大概是2016年左右我正式加入，参与项目的有来自全球的200多名科学家，中国有十几个人。
这个项目提出来就是为了观测黑洞、给黑洞拍照。目前，有很多的间接证据已经证明了宇宙里有非常多黑洞，2016年，人类观测到了引力波，知道了黑洞“听上去是什么样子”，但我们更想知道，它“看上去是什么样子”。
剥洋葱：从理论上来说，黑洞是看不见的，为什么还能拍到黑洞的照片？
吴庆文：虽然黑洞本身并不发光，但它具有强大的引力，可以将周围的物质吸引过来，形成绕其转动的吸积盘。吸积盘可以将吸积物质的引力能变成辐射，从而可以被我们看到。
剥洋葱：“事件视界望远镜”项目有200多名成员参与，你们是怎么分工、协作的？
吴庆文：从数据处理、观测到后边理论分析，其实有各种各样的小组，分成了很多个科学工作组。我们中国大概有十几个人参与，大家做的事也不同。
最早开始做的时候，我们200多人聚在台湾开过一次会，后面陆陆续续也在不同的地点开过。平时主要是通过电话、视频会议，或者邮件，来和其他人沟通进展。
剥洋葱：你主要负责哪些工作？
吴庆文：我是做理论分析。拍摄之前，我研究的是黑洞里边会发生什么样的物理过程；拍摄之后，根据传回来的图像，我开始分析黑洞边上那些看到的光环大概是哪里来的？为什么是那样？做这种理论的计算。
后期我们花了很长的时间，一直在算，一直在提高、比对：我们算的东西是不是正确的？跟看到的东西是不是完全一样的？
剥洋葱：在理论分析的过程中，有没有遇到过什么困难？
吴庆文：因为黑洞里的时空是弯曲的，是完全扭曲的，我们看到的这个黑洞，看上去它是那样，但和它真实的样子并不相同，那些光子是在弯曲的时空里走的，我们要把弯曲时空里边的一些东西算出来，这是有一点难度的。
剥洋葱：参与这次拍摄对你来说有什么意义？
吴庆文：我感觉就是好玩，它本来就是人类比较好奇的东西，看到了就有趣了。
被选中的黑洞
剥洋葱：既然科学家们很早之前就预测出了黑洞的样子，为什么直到2017年才成功拍到黑洞的照片？
吴庆文：我们很早以前就可以算出来在什么条件下，才能用望远镜看到黑洞。2000年左右，就有科学家预测，经过技术的发展，十几年后我们可以看到黑洞。
2017年以前，一直都在尝试，不过早期的望远镜分辨率比较低，只能看到黑洞外边那些东西。这些年我们一直就在尝试慢慢地提高分辨率，到前几年，才能说我们已经完全达到分辨率了。
剥洋葱：是因为我们和黑洞的距离太远，所以才要提高分辨率吗？
吴庆文：分辨率简单来说就像我们的眼睛一样，近视了可能就看得不太清楚，戴上眼镜可能就看得很清楚，所以望远镜越大，就能把黑洞看得越清楚，能够把不同的黑洞分辨开。
打个比方，一台汽车有两个车灯，如果你离车很远的话，你只能看到一个亮点，只有它靠近你、你能看得清楚的时候，才会发现是两个车灯。
剥洋葱：每个星系中心都有很多个黑洞，为什么最终选定的是银河系中心黑洞和M87黑洞？
吴庆文：因为我们望远镜给出的是一个分辨率，我刚才提到，如果两个车灯离你非常远的话，你是分辨不清的，所以要找到合适的黑洞。很早之前，我们就算了黑洞在天上的投影，近邻的宇宙里所有黑洞在我们看上去有多大都算出来了。我们发现银河系中心黑洞和M87黑洞，在天上的投影面积是所有的黑洞里边最大的，所以选了它们。
剥洋葱：确定这两个黑洞的位置难吗？
吴庆文：不难，其实这是一个非常重要的工作，就我们银河系中心的黑洞来说，最早十几年前，有的恒星绕着中间的某一个地方转了一圈，利用牛顿的理论“开普勒三定律”就可以把中间的黑洞质量算出来，测得很准。
当然技术难度挑战非常的大，因为我们大气里的云一直在抖动，所以望远镜的分辨率再高，也会被云给扭曲掉，就让人看不清。后来发展出了一种技术：打一束激光上去，可以快速算出来云怎么动，再让后端的望远镜跟着再做改正。这样，云的抖动就去掉了，去掉之后就可以让黑洞附近的恒星的位置定得非常准。
剥洋葱：黑洞的照片具体是怎么拍的？
吴庆文：经过测算，我们需要用相当于地球大小的超级虚拟望远镜（相当于一台上万公里巨型望远镜）来拍摄。这些望远镜分布在全球不同的地方，因为地球是转的，所以总是有的地方会转过去，因此范围分布越广越好，当然要选择一些高海拔的地方，因为第一云稍微少一点，第二温度也低一点。
协调全世界近十台望远镜去观测它，是最难的一步。要不同的国家把所有的望远镜在同一时间都对准这一个天体，成本是非常高的。像美国的有一个镇，它的设备总投资是150亿美元、将近1000亿人民币，每一夜的价格都非常昂贵。而且什么时候看黑洞、能否看到黑洞都是不确定的。我们必须说服他们，随时准备把设备给我们，去看一个从来没人见过的物体。
最终，我们用了八台望远镜来拍摄，其分辨率达到了20微角秒，比哈勃望远镜高近2000倍，可以分辨出38万公里外月球上的一个乒乓球大小。
协调好这些望远镜后，需要一个时间窗口。就像发射火箭一样，哪时候发射最好，这一年里边可能只有十天。这十天中，还有几天可能天气不好，找这种机会比较难。2017年的4月5日到14日，基本上八九天是不错的，我们在这段时间内进行了拍摄。
剥洋葱：你们拍摄了两张黑洞的照片，为什么这次只公布了M87黑洞的照片？
吴庆文：我们用了五六天去拍摄这次公布的M87黑洞，剩下两天是拍我们银河系中心黑洞，时间分配上，M87的拍摄时间远远多于银河系中心黑洞。
另外，M87黑洞是正面拍摄，银河系中心黑洞侧面拍摄，看上去不如正面的直观，而且其中还有一些不确定的地方，将来确定了，银河系中心黑洞的照片可能也会发布。
冲洗黑洞照片花了近两年
剥洋葱：黑洞拍摄好之后，冲洗花了近两年的时间，为什么需要这么长时间？
吴庆文：观测完了之后，得到的数据量是非常大的，每一晚的数据量达2PB（1PB=1000TB=1000000GB），和欧洲大型对撞机一年产生的数据差不多。这些数据量怎么去处理出来，是非常困难的。我们把观测到的数据用三种完全独立的流程、建立多个独立小组进行处理，来保证结果的准确性。每一个工作组，可能大概都得花半年到一年的时间去处理，得到一个初步的结果，然后再进行下一步的细化，最后把这个结果发给某一个负责人，然后他们去对各个组的结果进行对比。
剥洋葱：昨天照片公布是你第一次看到黑洞的样子吗？
吴庆文：其实基本上一年前我就看到了。因为我是自己做这个的，所以说结果一出来我就知道了。
但那时候只是我们中国团队做出来的初步结果，还不太确定最终的图像是什么样的。我们分成了三个大的组，每个组里又分成了几个完全独立的小组。只有不同的组做出来的结果是一样的时候，才能说这个图像是可信的。
昨天公布的这张照片，跟我们初步看到的结果基本上是接近的。
剥洋葱：第一次看到黑洞的照片的时候，你的心情怎么样？
吴庆文：当然非常激动了。我们中国团队的十几个人当时讨论得热火朝天，我们在想，为什么它会呈现这样的结构？里面告诉了我们哪些信息？
这些年让我激动的，除了看到黑洞照片，就是2016年观测到了引力波，我们也是先在理论上预言了那样的引力波，结果就看到了。当你想象中的东西第一次出现在眼前时，真的会非常高兴，如同美梦成真。
剥洋葱：这次看到的黑洞图片，和科学家们预言的也一样吗？
吴庆文：对。这个黑洞圆环大小约为40个微角秒，与广义相对论预言几乎完全一致。亮环呈不对称结构，左下角比右上角亮10倍以上，也与广义相对论预言一致，是由多普勒效应导致的，其中朝向我们运动的等离子体辐射会变亮，而远离我们的辐射会变暗。
所以，今天我们看到的黑洞的样子，和从爱因斯坦的广义相对论计算、推断出的黑洞的样子几乎完全一样，因此真正的黑洞的图片其实大家是非常熟悉的。
剥洋葱：在一些科幻电影中，也有黑洞的图像，据说《星际穿越》里的黑洞，是最接近黑洞真实面貌的想象，但看上去似乎和今天发布的黑洞照片有些区别。
吴庆文：当年《星际穿越》里面那张图片是标准算出来的黑洞图像，导演找了2017年诺贝尔物理学奖获得者索恩，也就是引力波的发现者，他们一起召集了一个计算机团队，利用几千台计算机，去模拟我们看到会是什么样子。那张图是从侧面看过去的，而且吸积盘，就是黑洞边上发光的盘，是一个很薄的盘，比较好计算。
我们这次看到的黑洞是一个厚盘，黑洞周围的物质比较少，而且是从正面看过去的图像，所以从外观看上去，二者之间有点区别。
剥洋葱：黑洞照片出来之后，很多网友觉得它还比较模糊，主要原因是什么？
吴庆文：分辨率还是不够高，如果再高几倍的话，那么基本上就可以看得非常清楚了。未来的几年可能会发布更清楚一点的图片，但是也不会多清楚。大概这次是一毫米的，下次可能会观测零点几毫米的，就是亚毫米波的一个图。这个也是很难的一个事情，我估计这还是需要好几年的时间。
剥洋葱：这次黑洞照片的成功拍摄，对整个物理学界来说有什么意义?
吴庆文：它是爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图，他预言的这个东西，这次就让我们真正的看到了，这个是比较有趣的地方。
我相信会推动整个黑洞相关研究，因为黑洞是整个天文学和物理学最前沿的一个课题。中国将来可能会有几个大的卫星项目，2017年已经发射的第一颗X射线卫星，马上2021年会发射一颗爱因斯坦探针卫星，还有2025年会发射慧眼第二代卫星，这几个卫星会为黑洞研究提供非常大的帮助。
2014年，罗俊院士提出来了“天琴”计划，“天琴”计划将来是更好地研究黑洞的一个观测设备，宇宙里面非常多的黑洞，通过它，小的也能看到，大的也能看到。包括宇宙爆发之初的时候，大概136亿年或者135亿年的地方的那些黑洞，将来的空间设备都能够看得到。
新京报记者 周小琪 编辑 陈晓舒 校对 李世辉