凝視深淵：人類史上第一張黑洞照片正式公布

發(fā)布的圖片顯示了黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)

美國(guó)東部時(shí)間4月10日上午9時(shí)（北京時(shí)間10日21時(shí)），事件視界望遠(yuǎn)鏡組織（Event Horizon Telescope Collaboration， 以下簡(jiǎn)稱 EHT）在美國(guó)華盛頓，比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)北、日本東京等世界六地同步發(fā)布這張人類期待已久的照片。

該黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系Messier 87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”，這個(gè)陰影告訴我們：愛(ài)因斯坦是正確的！該圖像的許多特征與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言完全相一致，在強(qiáng)引力極端環(huán)境下進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員袁峰在現(xiàn)場(chǎng)表示，現(xiàn)在看到的照片大體來(lái)說(shuō)有兩個(gè)部分，一部分是中心區(qū)域不太發(fā)光的陰影，另一部分是圍繞這個(gè)陰影的發(fā)亮的圓環(huán)。圓環(huán)發(fā)的光就是從吸積盤上發(fā)出的，而黑色的陰影要比黑洞本身要大幾倍，這證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言。

一部法國(guó)電視紀(jì)錄片視頻中的黑洞影像，包括了多普勒失真和不對(duì)稱效果

電影《星際穿越》的黑洞Gargantua，由倫敦的視覺(jué)特效公司Double Negative 制作

第一次真正地凝視深淵

“黑洞”的存在，廣義相對(duì)論很多年前就預(yù)言了。目前，我們?cè)诶碚撋弦恢辈孪牒诙词菍?shí)際存在的，而且也在觀測(cè)中取得了一些進(jìn)展。但現(xiàn)在我們能夠真正看到它的存在，這件事情非常值得期待的?！痹诎l(fā)布會(huì)召開(kāi)之前，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷在解讀此次發(fā)布會(huì)意義時(shí)如此說(shuō)道。

1915 年，廣義相對(duì)論作為愛(ài)因斯坦提出的革命性理論之一問(wèn)世。在這個(gè)理論中，愛(ài)因斯坦提出，物質(zhì)會(huì)扭曲或彎曲時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，人類以重力的形式感受到這種時(shí)空扭曲，而黑洞正是愛(ài)因斯坦理論的首批預(yù)測(cè)之一。之后的百余年來(lái)，無(wú)數(shù)的影視作品、科幻小說(shuō)將黑洞作為宇宙神秘、迷人、兇險(xiǎn)的重要意象之一，把它帶到普通大眾的認(rèn)識(shí)中，包括諾獎(jiǎng)得主基普·索恩和已故物理學(xué)家霍金在內(nèi)，他們都曾專門著書闡述黑洞的奇幻場(chǎng)景。但它始終都像是一個(gè)遙遠(yuǎn)外太空的“都市傳說(shuō)”，人類迎來(lái)了一批又一批黑洞存在的間接證據(jù)：附近恒星軌道的引力擺動(dòng)、星際氣體云的變化、氣態(tài)射流噴出等等。一些超大質(zhì)量黑洞隱藏在宇宙中各大星系的核心區(qū)域，但即使是愛(ài)因斯坦本人也不確定它們是否真的存在。

荷蘭拉德堡德大學(xué)的射電天文學(xué)家海諾·法爾克曾如此評(píng)價(jià)黑洞：“它們是空間和時(shí)間的終點(diǎn)，可能也代表著人類知識(shí)的最終極限?！倍谝环嬲暮诙从跋瘢瑢⑾崎_(kāi)籠罩黑洞的第一層“面紗”，使其從原本神秘的東西轉(zhuǎn)變成人類可以學(xué)習(xí)的實(shí)體，其中最值得期待的部分可能是這張圖片對(duì)于廣義相對(duì)論的驗(yàn)證。發(fā)布會(huì)之前，人們就期待這張事件視界的圖片能夠用以檢驗(yàn)黑洞物理學(xué)的基礎(chǔ)理論，比如測(cè)量事件視界的形狀和大小，能幫助驗(yàn)證很多天文和物理上與黑洞有關(guān)的理論。此外，天體物理學(xué)家還希望EHT的數(shù)據(jù)能夠幫助他們解釋黑洞兩邊以接近光的速度噴出巨大的物質(zhì)流（噴流）。

我們都知道，黑洞是宇宙中一種質(zhì)量異常大的特殊天體，質(zhì)量可達(dá)太陽(yáng)的幾百億倍。它是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡后，發(fā)生引力坍縮而形成。它巨大的質(zhì)量，產(chǎn)生了巨大的引力，以至于任何接近黑洞的物體都無(wú)法逃脫它的引力。就連傳播速度最快的光也無(wú)法逃逸出來(lái)。黑洞會(huì)吸收所有的電磁輻射，這意味著無(wú)論是我們用來(lái)接收來(lái)自天體的無(wú)線電波的射電望遠(yuǎn)鏡，還是探測(cè)地球大氣層以外的源所發(fā)射的X射線、并將其分辨為一個(gè)圖像的X射線望遠(yuǎn)鏡，用于收集可見(jiàn)光的，便于目視觀測(cè)、拍攝的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，甚至用運(yùn)行于地球低軌道的、進(jìn)行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現(xiàn)象的費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡，都無(wú)法真正探究黑洞的模樣。

根據(jù)廣義相對(duì)論，太陽(yáng)會(huì)彎曲時(shí)空使行星繞著它運(yùn)行，中子星會(huì)使時(shí)空彎曲更厲害，而一個(gè)黑洞則會(huì)在時(shí)空中制造一個(gè)深坑，即使是光都無(wú)法逃脫

在黑洞的周圍，是一個(gè)無(wú)法偵測(cè)的事件視界。它是光得以逃離黑洞的最近距離，所以事件視界之內(nèi)是無(wú)法被偵測(cè)到的，有如漆黑一片，故名黑洞。事件視界的存在，使黑洞無(wú)法被直接觀測(cè)。不過(guò)，黑洞周圍卻有著一圈可被觀測(cè)的物質(zhì)。這些物質(zhì)圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)，形成了一個(gè)圓盤，天文學(xué)家稱它為吸積盤。吸積盤是黑洞的光環(huán)，這個(gè)明亮的環(huán)中間漆黑一片，聽(tīng)起來(lái)并不像土星光環(huán)那樣和諧美麗。而且如果我們?nèi)ビ^察吸積盤，會(huì)發(fā)現(xiàn)它被扭曲了。這是因?yàn)楹诙磳?duì)光線有很強(qiáng)的彎折能力，位于黑洞背面的吸積盤發(fā)出的光，也會(huì)繞到前面來(lái)被我們看到。雖然我們無(wú)法看到黑洞內(nèi)部，但如果黑洞的后面有明亮的背景，我們卻可以看到黑洞吸收形成的影子，看上去正是“黑洞洞”的。黑洞附近超高溫氣體可以發(fā)出波長(zhǎng)約為毫米級(jí)的無(wú)線電波，可以穿透星系中的氣體并抵達(dá)地球。

這張圖片可以幫助了解黑洞周圍以及黑洞本身的信息，比如它的質(zhì)量、自旋和它對(duì)周圍的影響等。而在驗(yàn)證廣義相對(duì)論上，如果預(yù)測(cè)不完全一致的話，我們可以期待是不是有更深層的理論能夠解釋其中一些不一致的現(xiàn)象。在廣義相對(duì)論提出之后，科學(xué)家們也產(chǎn)生了很多修改的理論，和此前的一些理論相比更復(fù)雜一些，通過(guò)這次觀測(cè)，我們可以觀察實(shí)際的情況會(huì)不會(huì)有所不同。另外，他還提到，除了驗(yàn)證廣義相對(duì)論以外，其他的物理理論，如經(jīng)典相對(duì)論，也可以得到檢驗(yàn)。如果再考慮到量子力學(xué)，我們還需要用原子級(jí)別的照片去檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?dāng)然，這就需要非常高精度的照片才能實(shí)現(xiàn)。除了照片上的信息外，團(tuán)隊(duì)收集到的原始數(shù)據(jù)可能還有其他的研究?jī)r(jià)值。

簡(jiǎn)而言之，在這浩瀚的時(shí)間長(zhǎng)河中，每一次新的宇宙發(fā)現(xiàn)，都讓人類感受到自己的渺小。而黑洞中是絕對(duì)的死亡還是永生，在今后的漫漫長(zhǎng)路中揭曉。隨著這張照片的誕生，人類又擁有了更多的機(jī)會(huì)檢驗(yàn)?zāi)切┰?jīng)被認(rèn)為“不可檢驗(yàn)的”的理論，繼續(xù)凝視宇宙和生命的深淵。

事件視界望遠(yuǎn)鏡是由全球八大望遠(yuǎn)鏡組成

不可能的任務(wù)：我們需要一個(gè)與地球等大的望遠(yuǎn)鏡

和此前LIGO探測(cè)引力波類似，這張可能是今年最重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)的照片誕生背后，也有一個(gè)龐大且出色的全球化科研團(tuán)隊(duì)以及強(qiáng)大的大科學(xué)裝置，并耗費(fèi)了二年的時(shí)間才最終問(wèn)世。

2016年，天文學(xué)家們發(fā)起了一項(xiàng)名為“視界望遠(yuǎn)鏡（EHT， Event Horizon Telescope）”的國(guó)際觀測(cè)項(xiàng)目。EHT動(dòng)用了位于世界各地的八個(gè)獨(dú)立射電望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡組成了前所未有的大型望遠(yuǎn)鏡陣列，包括亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SMT）;IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡;APEX望遠(yuǎn)鏡;James Clerk Maxwell 望遠(yuǎn)鏡（JCMT）;大毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）;次毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Array，SMA）;阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array， ALMA）;以及南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）。在 VLBI 技術(shù)（甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量）的幫助下，八個(gè)望遠(yuǎn)鏡模擬出了一個(gè)地球大小的巨型望遠(yuǎn)鏡，達(dá)到了它的最佳分辨率：20個(gè)微角秒，用來(lái)觀測(cè)黑洞還剛剛夠，但是得到的圖像十分模糊。

EHT于2017年4月首次全面運(yùn)行，并且在那一次的運(yùn)行中就取得了全部的黑洞數(shù)據(jù)。期間，八臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了一個(gè)位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*），以及一個(gè) M87星系中心的黑洞。其中，人馬座 A*位于銀河系的中心，質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍;另一個(gè)更大的黑洞是處女座星系的M87黑洞（Messier 87），質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的70億倍。盡管它們都十分巨大，在EHT的照片上卻很小。據(jù)一位在EHT工作的天文學(xué)家說(shuō)，人馬座 A*黑洞的大小大約是50個(gè)微角秒（角度單位）的寬度。一個(gè)微角秒大概是從月球上看地球上一篇文章末尾的句號(hào)的大小。最終，EHT對(duì)兩個(gè)黑洞總共觀測(cè)了約五個(gè)夜晚，產(chǎn)生了4PB的數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)換成MP3格式需播放8000年才能聽(tīng)完）。采集的數(shù)據(jù)量如此之大，這也是為什么時(shí)隔兩年后大眾才有機(jī)會(huì)一睹黑洞的全貌的原因。

凱蒂·布曼在TED 演講

在照片問(wèn)世的過(guò)程中，不同的望遠(yuǎn)鏡要對(duì)各自采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和相位的重新矯正，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)的同步。這本身就是一項(xiàng)繁瑣的工作，而數(shù)據(jù)的后期處理更加耗費(fèi)精力。如此巨量的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)帶寬不夠傳輸，研究人員轉(zhuǎn)而將數(shù)據(jù)拷貝到硬盤上，通過(guò)快遞硬盤實(shí)體來(lái)交換數(shù)據(jù)，這竟然成為了比網(wǎng)絡(luò)傳輸更快的方式，因此團(tuán)隊(duì)在過(guò)去兩年里不斷地分析、校準(zhǔn)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。在巴黎天文臺(tái)工作、專注于黑洞可視化研究的法國(guó)天文學(xué)家 Jean-Pierre Luminet 在 Science 的采訪中也表示，黑洞“可視化”的難點(diǎn)在于要將一個(gè)本身在定義上就不可見(jiàn)的物體“實(shí)體化”。他在此前曾多年從事包括為影視作品用計(jì)算機(jī)模擬黑洞的專業(yè)黑洞可視化工作。

運(yùn)輸不便，加上巨量的分析任務(wù)，讓這個(gè)宇宙中的鬼魅時(shí)隔兩年才與世人相見(jiàn)。但在研究過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)的成員們對(duì)此充滿信心。在一次TED演講中，EHT研究人員、來(lái)自麻省理工學(xué)院的凱蒂·伯曼曾如此介紹她的感受——“在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)我沒(méi)有任何天文學(xué)背景知識(shí)，但團(tuán)隊(duì)通過(guò)這一獨(dú)特合作所達(dá)成的成就，可讓世界上第一幅黑洞照片誕生?！睋?jù)她介紹，團(tuán)隊(duì)要觀察的黑洞離地球太過(guò)遙遠(yuǎn)。“從地球上看，它非常、非常小——大概就和月球上的一個(gè)橘子一樣大。這導(dǎo)致給它拍照變得無(wú)比艱難……我們可以輕易得出所需的望遠(yuǎn)鏡的大?。壕秃驼麄€(gè)地球一樣大。”但是，建造一個(gè)地球大小的射電望遠(yuǎn)鏡是不可能的。她選擇相信米克·賈格爾的一句名言——“你不可能永遠(yuǎn)得到你想要的東西，不過(guò)有時(shí)候你試一下，說(shuō)不定正好找到你需要的東西。”正如我們所見(jiàn)，后來(lái)EHT選擇將遍布全世界的望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，團(tuán)隊(duì)中的計(jì)算機(jī)學(xué)家們則開(kāi)發(fā)出特別的圖片算法，基于望遠(yuǎn)鏡提供的散亂而充滿干擾的數(shù)據(jù)，生成最終的圖片。

凱蒂·伯曼認(rèn)為，像 EHT 這樣的項(xiàng)目能夠成功，正是不同學(xué)科的研究人員用各自的專業(yè)知識(shí)一起創(chuàng)造的結(jié)果?！拔覀兪且粋€(gè)由天文學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家構(gòu)成的大熔爐。這就是我們能夠很快達(dá)成一個(gè)看起來(lái)不可能達(dá)成的成就的原因……在此，我想鼓勵(lì)你們所有人，走出去，推動(dòng)科學(xué)的邊際，盡管剛開(kāi)始它可能看起來(lái)和一個(gè)黑洞一樣神秘?！彼f(shuō)。（摘自美國(guó)《深科技》）（編輯/小文）