哈喽，这里是魔法君。前一阵子大家一定被“拍摄”到有史以来第一张黑洞照片的消息淹没，但是大家有没有思考过宇宙星辰中有这么多天体阻挡，那么地球上的望远镜是通过什么“看到”远在3400多光年的M87星系的黑洞轮廓呢？今天魔法君来分析一下为什么黑洞的轮廓信息可以绕过重重星体，不受阻挡地从3400多光年外的地方传到地球，并被望远镜接收到。
浩瀚宇宙的天体、气体和尘埃
首先，有必要区分一下“拍摄”黑洞照片所使用的望远镜和我们平常使用的望远镜。
我们一般使用的望远镜都是直接观测可见光，也就是从远处传来的物体光线直接在眼中成像，这一类望远镜我们称作光学望远镜。而观测黑洞所使用的望远镜不是直接观测可见光，而是观测射电波，所以这类望远镜叫做射电望远镜。射电望远镜与光学望远镜不同，它既没有高高竖起的望远镜镜简，也没有物镜，目镜，它由天线和接收系统两大部分组成。
光学望远镜和射电望远镜
巨大的天线是射电望远镜最显著的标志，它的种类很多，有抛物面天线，球面天线，半波偶极子天线，螺旋天线等。最常用的便是上图所示的抛物面天线。
那么大家肯定会有疑问了，射电波是什么呢？为什么要是用射电望远镜来观测呢？
原来，可见光是一种电磁波，而射电波也是电磁波。
电磁波周而复始地以重复的波形在空间里传播着，具有周期性，而描述电磁波的属性有周期、频率和波长等。下面我们用正弦波来说明电磁波的波属性。电磁波的周期也就是代表电磁波传播一个完整的周期的时间，也可以理解成波在传播轴上的某一点浮动一个周期所花的时间（通常用Ｔ表示）。
周期示意图
而频率就是单位时间内，电磁波可以传播的周期数（通常用ｆ表示）。比如说，一个波的周期为０.５s，也就是说波传播一个完整的周期需要０.５秒钟。所以1秒钟，波可以传播２个周期，那么这个波的频率就是２赫兹（Ｈｚ）。不难想到，频率和周期互为倒数。
频率示意图
而波长（通常用λ表示）表示电磁波一个周期内传播的距离，注意下面的横轴变成了空间传播方向轴，而竖轴仍然是传播轴的垂直方向。
波传播示意图
由速度ｖ等于运动位移ｘ除以时间ｔ，那么我们可以知道波的速度：
爱因斯坦狭义相对论，电磁波速度在任何参考系条件下永远保持着恒定的速度ｃ，也就是光速（３ｘ１０８ｍ／ｓ）。我们用一个周期内电磁波传播的距离除以周期来表示电磁波的速度，那么速度可以表示为：
不同的电磁波的频率ｆ不一样，由于电磁波的速度都是光速，那么由以上公式可以知道电磁波波长和频率成反比，也就是频率越大的电磁波的波长越小。
有了这些基本概念知识，我们就可以轻松理解囊括了多种电磁波的电磁频谱了。
电磁频谱：不同的电磁波具有不同的波长范围，对应有着不同的频率范围
再让我们回到给黑洞照相上。黑洞本身并不发光，我们看到的“光”都来自于事件视界外面，也就是引力范围外的物质，（关于事件视界的介绍，请看文末拓展内容）事件视界外的物质向宇宙各个方向散发着各个频段的电磁波，而我们用射电望远镜收集到的事件视界的射电波频段的电磁波，进而勾勒出黑洞的轮廓，通过处理变成清晰的图像，也就成了黑洞照片，所以所谓的“拍照”是间接地处理非可见电磁波信号的成像。
作为一种波，电磁波也不例外地拥有衍射特性，这种特性让电磁波能够绕过障碍物进行传播，而波长越长的波绕过障碍物传播的能力更强。我们通过电磁频谱可以看到，向左表示波长增加，频率减小。射电波这种波长大于１毫米的无线电波比可见光的波长更大，所以具有更大的绕过星际尘埃和气体阻挡的能力。由于阻挡，光学波段的望远镜无能为力，所以只能通过射电望远镜收集黑洞周围物质的射电波段的信号来给黑洞“拍照”。这就解释了为什么科学家要借助射电望远镜而不是光学望远镜来给黑洞“拍照”。
拓展知识：
1.电磁波的预言与发现：
1864年，英国人麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律, 并引进位移电流的概念，提出经典电磁理论。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。
1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，1898年，马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。
2.黑洞的事件视界：
事件视界是一种时空的曲隔界线，也是黑洞的引力范围。视界外的观察者无法看到视界内的任何事件。在非常巨大的重力影响下，黑洞附近的任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。黑洞自身不发光，我们看到的光都来自于事件视界外面的物质。
由于黑洞强引力导致的相对论效应，如光线弯曲、引力红移等，会导致黑洞周围物质发光的不对称和扭曲；此外，事件视界外面的“环境”并不完全干净，尘埃、气体、磁场、喷流等因素都会对事件视界外物质的发光产生影响。
3.光速不变原理与狭义相对论：
光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。 光速不变原理，在狭义相对论中，指的是无论在何种惯性系（惯性参照系）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒。
（部分图片来源于网络）
往期精选：
小知识：
- 你以为蚂蚁只有力气大？原来它们的智慧让科学家都震撼！
- 如何看待 NASA 研究：中国新增绿化面积达到1/4个亚马逊雨林？
- 美国新型人工智能：世界上第一台能后空翻的四足机器人
- 黑洞已被证明存在，但是它到底是个什么东西呢？
- 名校风彩|天河计算机的奇幻之旅
小实验：
- 科学小实验：隔空就能灭火？
- 科学小实验：消失的重力
- 科学小实验：水往高处流？
- 科学小实验：彩色动画
- 科学小实验：缤纷彩虹雨
- 科学小实验：像一位野外求生专家一样来点火
喜欢的话点个关注哦！