人類首次“看到”了黑洞

現(xiàn)場直擊

2019年4月10日，在美國華盛頓，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目（EHT）和美國國家科學(xué)基金會舉行新聞發(fā)布會，神秘天體黑洞首張照片發(fā)布，照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的65億倍，距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，看上去有點像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。

除華盛頓外，中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾和日本東京等地也同時召開發(fā)布會。美國《天體物理學(xué)雜志通訊》以特刊形式通過6篇論文發(fā)表了這一重大成果。

事件回顧

自上世紀(jì)中期開始，人們就一直在探尋黑洞的秘密。200多年前，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出： 一個質(zhì)量足夠大但體積足夠小的恒星會產(chǎn)生強大的引力，以致連光線都不能從其表面逃走，因此這顆星是完全“黑”的。

1915年，愛因斯坦在廣義相對論中最先預(yù)言了黑洞的存在。在他的推論中，黑洞是一種質(zhì)量巨大、引力極強的天體，可以吸收周圍一切外來物質(zhì)和輻射，連人類已知傳播速度最快的光都無法逃脫。理論上，黑洞無法被觀察，但黑洞的陰影——“事件視界”卻可以?？茖W(xué)家們將光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的區(qū)域稱作黑洞，將其邊界稱作事件視界。

2006年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目啟動。2017年4月，來自全球30多個研究所的200多位科學(xué)家利用分布于美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的8個射電望遠(yuǎn)鏡（單鏡及陣列），正式開啟觀測人馬座A*和M87黑洞。

觀測黑洞實際上應(yīng)該僅用了5天左右，但由于觀測到的黑洞數(shù)據(jù)量巨大，世界各地的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)無法通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)，只能靠人帶著一千多個硬盤飛來飛去，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總之后再作分析，這耗費了大量時間。

公開資料顯示，在2017年4月份的觀測中，每個臺站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit/s，8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)（相當(dāng)于350萬部電影）。EHT采用專用硬盤來記錄數(shù)據(jù)，再把硬盤送回數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。之后，研究人員用超級計算機矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號相干的目的。由于在南極有極晝極夜現(xiàn)象，如果剛好遇到極晝現(xiàn)象，那至少會有半年時間飛機無法航行，就無法把參與EHT項目的“南極望遠(yuǎn)鏡”的數(shù)據(jù)運輸出來。所以僅僅沖洗照片就花費了兩年的時間。

探索未來

狂歡之后的深思

劉 霞

黑洞的故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束，狂歡之后，我們應(yīng)該明白，這幾個與黑洞有關(guān)的重要問題仍懸而未決。

黑洞巨大的熱、快物質(zhì)噴流如何產(chǎn)生？

所有超大質(zhì)量黑洞都能吞噬附近物質(zhì)，吸收穿過黑洞事件視界的物質(zhì)，并以接近光速的速度將其余物質(zhì)噴射到太空中，天體物理學(xué)家稱之為“相對論性噴流”。比如，此次事件視界望遠(yuǎn)鏡的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的噴射而聲名顯赫，它噴射的物質(zhì)和輻射遍布整個太空。它的“相對論性噴流”如此龐大，以至于它們可以完全逃離周圍的星系。

物理學(xué)家知道這種情況是如何發(fā)生的：在物質(zhì)落入黑洞的引力井時，物質(zhì)被加速到極快速度，然后其中一些物質(zhì)“逃之夭夭”。但他們對這種情況發(fā)生的細(xì)節(jié)持不同意見，而最新“出爐”的這張圖像及相關(guān)文件尚未提供任何詳細(xì)信息。

要想弄清楚這些細(xì)節(jié)，需要將覆蓋相當(dāng)小范圍的事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果與更大的相對論性噴射圖像結(jié)合在一起考慮。而且，隨著位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的圖像問世，我們可能會獲得不少答案。因為銀河系中心超大質(zhì)量黑洞不像M87星系中心黑洞那樣產(chǎn)生噴流，所以，比較兩張圖像可能會厘清一些問題。

廣義相對論和量子力學(xué)如何統(tǒng)一？

每當(dāng)物理學(xué)家聚在一起談?wù)撘粋€真正令人激動的新發(fā)現(xiàn)時，可能都會有人說：這一新發(fā)現(xiàn)或許有助于解釋“量子引力”。量子引力是物理學(xué)領(lǐng)域最大的未解之謎，是物理學(xué)江湖中的屠龍刀——得之可得天下。

大約一個世紀(jì)以來，物理學(xué)家使用兩套不同的規(guī)則來解釋萬事萬物：他們用廣義相對論來解釋諸如引力這樣的大事;用量子理論來解釋非常小的事物。問題是，這兩套規(guī)則難以統(tǒng)一。因為量子力學(xué)無法解釋引力;而相對論無法解釋量子行為。

那萬有引力和量子理論彼此之間就真的“水火不容”嗎？物理學(xué)家們并不這樣想，他們希望未來有一天，創(chuàng)建出一個大一統(tǒng)理論，將這兩者囊括其中，而這個未問世的大一統(tǒng)理論可能涉及某種量子引力。

在首張黑洞圖像宣布之前，有科學(xué)家猜測，它可能會在此問題上取得些許突破。

但新圖像并沒有提供可能縮小兩個領(lǐng)域之間差距的新物理學(xué)。人們希望從新圖像中獲得答案這一想法合情合理，因為黑洞陰影的邊緣將引力帶入微小的量子空間。我們有望在非常非常接近事件視界的地方，或者在宇宙非常非常早期之時，看到量子引力。

霍金的理論和愛因斯坦的理論一樣正確嗎？

在物理學(xué)家職業(yè)生涯的早期，斯蒂芬·霍金對物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)是“霍金輻射”理論。該理論認(rèn)為，黑洞實際上不是黑色的，隨著時間的推移，它會發(fā)出少量輻射。這一點非常重要，因為它表明，一旦黑洞停止生長，它將開始因為能量損失而非常緩慢地收縮。

事件視界望遠(yuǎn)鏡沒有證實或否認(rèn)這一理論。像M87星系中心黑洞那樣的巨型黑洞，與其龐大的體型相比，其發(fā)出的霍金輻射可謂“九牛一毛”。雖然我們目前所擁有的最先進(jìn)的設(shè)備可以探測到這些黑洞事件視界的明亮光線，但幾乎無法看清超大質(zhì)量黑洞表面的超暗閃光，因此，也很難發(fā)現(xiàn)其輻射。

最微小的黑洞可能是獲得這一答案的關(guān)鍵。這些最微小黑洞是一些“短命”的天體，其體型小到你可將其整個事件視界握在手中。而且，與這種微小黑洞的體型相比，其輻射相對較多。

人類最終有可能會弄清楚如何制造或找到一個這樣的黑洞并且檢測到其輻射，從而驗證霍金理論的正確性。

黑洞恍如一位遁世的隱者，身上背負(fù)著諸多有關(guān)宇宙的奧秘，在驚鴻一瞥后，對其進(jìn)行深入研究，將揭示更多秘密，讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。

（選自《科技日報》2019年4月12日）

相關(guān)鏈接

捕獲首張黑洞照片的事件視界望遠(yuǎn)鏡有何特殊之處？

這些望遠(yuǎn)鏡都是在亞毫米波波段，通常需要在海拔比較高的地方來減少大氣中水氣對于亞毫米光子的影響。比如說位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡的海拔就有5000多米，這些分布于全球不同地方的望遠(yuǎn)鏡通過所謂的甚長基線干涉技術(shù)（VLBI）連成一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了一個口徑達(dá)到一萬公里的望遠(yuǎn)鏡，VLBI技術(shù)是實現(xiàn)成像觀測的關(guān)鍵。

給黑洞拍照時，我們在拍些什么？

黑洞本身不發(fā)光，但是黑洞周圍通常都會有一個吸積盤，吸積盤有比較強的輻射或者說它是發(fā)光的，所以在明亮吸積盤的襯托之下，黑洞就會產(chǎn)生一個所謂的黑洞陰影。這次的觀測就是通過觀測黑洞本身及其臨近區(qū)域，看到黑洞的陰影。

黑洞吸進(jìn)去的東西都去哪里了？

在被吞噬的過程當(dāng)中，物質(zhì)首先會被撕裂成一些最基本的粒子，然后很可能在黑洞的內(nèi)部又進(jìn)一步發(fā)生其他的物態(tài)變化，具體會發(fā)生什么，我們并不是特別清楚。經(jīng)典的理論認(rèn)為，掉到黑洞里的物質(zhì)都會朝著中心的奇點運動，最后會聚集在那里。隨著聚集的物質(zhì)越來越多，質(zhì)量也會變得越來越大，黑洞的半徑也會變得越來越大。

拓展閱讀

當(dāng)全世界同望星空，黑洞也“發(fā)光”

郭 爽

觀測黑洞項目，讓地球上幾乎所有這一領(lǐng)域的研究人員都不同程度地以不同方式參與其中?？茖W(xué)探索，正讓整個世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起，不僅讓地球，也讓人類成為一個共同體。

無論是對黑洞概念懵懵懂懂的早期天文學(xué)家、發(fā)表廣義相對論的愛因斯坦、獲得黑洞存在證據(jù)的引力波項目團隊，還是今天共同拍攝黑洞照片的各國科研人員，讓人類持續(xù)探索并不斷取得進(jìn)步的動力之一，正是人類作為一個共同體對宇宙和自身的好奇心。

探索未知，是人類拓展自身疆界的重要過程。天文學(xué)的進(jìn)步，也同時推動數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計算機等多個學(xué)科并肩前行。而只有多領(lǐng)域、多學(xué)科并行發(fā)展，更大尺度地拓展國際合作范圍，更深入地探索國際合作模式，人類探索未知的視野才可能變得更加開闊。

無論仰望星空，還是審視自己，當(dāng)?shù)厍蛏系娜藗內(nèi)w凝視同一方向，如同黑洞這樣曾經(jīng)深藏不露的未知，也終將一個接一個“顯露光芒”。

（選自“新華網(wǎng)”2019年4月10日）