首張黑洞照片誕生記

黑洞是廣義相對論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作事件視界。四大洲、8個觀測點組成視界面望遠鏡，讓黑洞首次有了一張“正面照”。

終于，黑洞“現(xiàn)身”了！

北京時間4月10日晚9時，在中國上海和臺北、美國華盛頓、智利圣地亞哥、日本東京、比利時布魯塞爾同步舉行的新聞發(fā)布會上，人類有史以來獲得的第一張黑洞照片被公布。照片“主角”是射電星系M87*的中心黑洞。

神秘的黑洞背后有著太多秘密等待揭示，令一代代科學家為之著迷。首張黑洞照片透露了哪些信息？天文學家如何費盡周折為黑洞“拍照”，一步步“逼近”黑洞？這一圖像的成功捕獲意味著什么？

黑洞從預(yù)言走到眼前

黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體，在一個很小的區(qū)域內(nèi)包含著令人難以置信的質(zhì)量。它具有超強引力，即便光也無法逃脫它的勢力范圍——這種天體的存在以極端的方式影響著周圍的環(huán)境，讓時空彎曲，并將周圍的氣體吸進來。在此過程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，氣體的溫度變得很高，會發(fā)出強烈的輻射。

1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，以其天才的想象力預(yù)言了“黑洞”的存在。一年后，德國天文學家卡爾·史瓦西發(fā)表了第一個廣義相對論方程的完全解，計算出了“史瓦西球體”的出現(xiàn)，這一版本的“黑洞”不帶電荷，也不旋轉(zhuǎn)。此后很長一段時間，科學家們嘗試各種辦法來驗證“黑洞”是否真實存在。

在此次拍照前，科學家們通過各種間接證據(jù)來表明黑洞的存在：其一，恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞的強引力會對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在;其二，黑洞會吸積其勢力范圍里的一切物質(zhì)，通過它“吃東西”發(fā)出的光來判斷黑洞的存在;其三，通過觀測黑洞成長的過程“看”見黑洞。

種種類似的證據(jù)，無不說明黑洞的真實存在。2015年，人類第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉(zhuǎn)合并所產(chǎn)生的引力波之聲，但這些都還是間接的。

天文學家們將宇宙中的黑洞根據(jù)質(zhì)量分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。黑洞的勢力范圍，稱作黑洞半徑或事件視界。

廣義相對論預(yù)言，由于黑洞的存在，人們將會看到中心區(qū)域存在一個由于黑洞視界而形成的陰影，周圍環(huán)繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。黑洞陰影則是人類能看到的最接近黑洞本身的圖像。

在天文學家捕獲的首張黑洞照片中，黑洞仿佛沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域中?！拔覀冾A(yù)期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區(qū)域。”荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克解釋，“這個暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。

視界面望遠鏡“大展拳腳”

僅通過間接信息來觀測黑洞顯然已經(jīng)無法滿足科學家們的好奇心了，他們迫切希望直接“看”到黑洞。

中科院上海天文臺研究員路如森說：“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺證據(jù)。這就必須要保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節(jié)足夠小，從而保證看得到和看得清?！钡珴M足上述所有條件，望遠鏡的口徑需要像地球大小。

一個難以想象的科學計劃誕生了！2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國、西班牙的8臺亞毫米波射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測，利用甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI）將這8臺望遠鏡構(gòu)建成一個口徑等同于地球直徑的超級“虛擬”望遠鏡——視界面望遠鏡（EHT）。

“吸積盤的輻射主要是在可見光、紫外以及X射線波段?！敝锌圃簢姨煳呐_研究員、黑洞研究團組首席科學家茍利軍說，但在吸積盤之外，黑洞周圍還會存在不少高速運動的自由電子，這些速度接近光速的電子在電磁場的作用下會產(chǎn)生射電波段的同步輻射，從而為視界面望遠鏡“拍照”創(chuàng)造了條件。

“本次觀測黑洞的亞毫米波段是射電波段中最短的部分，而虛擬望遠鏡的口徑也擴大到了地球直徑大小，使虛擬望遠鏡的分辨率大大提升，因此可以進行觀測黑洞的嘗試?！逼埨娙绱吮硎尽?/p>

地球直徑大小的望遠鏡是如何煉成的？簡單說來，VLBI是把幾個小望遠鏡聯(lián)合起來，達到一架大望遠鏡的觀測效果。“利用VLBI技術(shù)將多臺望遠鏡組網(wǎng)觀測時，虛擬望遠鏡的口徑大小取決于其中距離最遠的兩臺望遠鏡之間的距離?！敝锌圃簢姨煳呐_研究員陳學雷表示。

從參與觀測的8臺望遠鏡所處的地理位置來看，西班牙格拉納達市與美國夏威夷莫納基亞山距離超過10 000千米，與地球直徑相當。

“兩臺望遠鏡構(gòu)成一條基線。最長的基線能提供目標天體最細致的細節(jié)，而參與組網(wǎng)的望遠鏡越多，基線就越多，就能得到質(zhì)量越好的合成圖像，讓人們看到目標天體在不同尺度的細節(jié)?！标悓W雷說。

路如森說：“這些望遠鏡的分辨率相當于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙?！?/p>

選擇“模特”有學問

在組建大型虛擬望遠鏡的同時，科學家們也在尋找著合適的拍攝目標。

黑洞陰影實際看起來的大小主要與兩個因素有關(guān)——實際的大小、黑洞到地球的距離。一個1米之外的乒乓球（直徑40毫米）和一個百米之外的4米長桿看起來一樣高。所以在望遠鏡拍照能力有限的情況下，想要拍攝一張好照片，一定要找一個“靠譜”的拍照模特。

科學家們甄選之后，決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標：一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大質(zhì)量黑洞。

中科院上海天文臺臺長沈志強說：“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質(zhì)量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優(yōu)的成像候選體?！?/p>

Sgr A*是地球上能夠觀測到的最大黑洞，質(zhì)量是400多萬倍太陽質(zhì)量，對應(yīng)的視界半徑是1300多萬千米，視邊界的半徑約3300多萬千米，它到地球的距離是2.6萬光年，視邊界看起來的角尺寸約為50微角秒。要知道，從地球上看滿月的尺寸約為30角分（1角分等于60角秒），50微角秒就相當于從地球上看月球上一個橘子大小的物體。

M87*以“胖”著稱，質(zhì)量更為巨大，達到了60億個太陽質(zhì)量。盡管其與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因質(zhì)量龐大，所以它的事件視界對科學家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大一點，黑洞陰影的大小約為40微角秒。

值得一提的是，采用不同方法對M87*質(zhì)量進行測量，所得結(jié)果差了近兩倍，這意味著黑洞陰影的大小有可能小于40微角秒，甚至低于此次EHT所能分辨的能力極限。

沈志強介紹，M87*質(zhì)量巨大，又相對接近地球，是地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個完美目標。

照片“沖曬”兩年終面世

EHT 2017年就開始給黑洞拍照，而到了2019年才發(fā)布成果，這張看似普通的照片為何“沖曬”了兩年時間？事實上，這張照片得來頗為艱難。路如森說，首先觀測窗口期非常短暫，另外望遠鏡觀測到的數(shù)據(jù)量非常龐大，光是處理數(shù)據(jù)就要花費半年至一年時間。

在2017年的全球觀測中，由于每臺EHT距離相隔較遠，甚至加入了南極和智利的望遠鏡，要保證全球的EHT同步觀測兩個黑洞，留給科學家的觀測窗口期就非常短暫，每年大約只有10天時間。2017年的最佳觀測期是在4月5日至14日之間。

“要知道，我們是全球8大望遠鏡同時觀測，雖然這些射電望遠鏡沒有實際連接，但借助氫原子鐘精確計時，各臺望遠鏡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的同步?！鄙蛑緩姳硎?，例如在南極觀測的數(shù)據(jù)，“南極并不是任何時間都可以去的，比如我們4月去觀測，可能9月才能再去拿回數(shù)據(jù)，這樣的話，時間又延長了，但這個等待過程，也是非常令人期待的?！?/p>

據(jù)悉，EHT項目每晚產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達2PB（1PB=1000TB=1 000 000 GB），相當于歐洲大型質(zhì)子對撞機一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。由于是異地觀測，科學家無法實時分析比對數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都被存儲在高性能的充氦硬盤上，隨后空運至馬克斯·普朗克射電天文研究所和麻省理工學院海斯塔克天文臺。在那里，還要被稱作相關(guān)處理機的高度專業(yè)化超級計算機對各個臺站數(shù)據(jù)進行處理。最后，借助合作開發(fā)的新型計算工具，這些數(shù)據(jù)被精心處理并用來成像。完整的分析和生成過程花費了科學家半年至一年的時間。

首張照片開啟直接觀測黑洞序幕

百聞不如一見，一圖抵千言。美國哈佛·史密森天體物理學中心的杜勒曼指出，這是迄今為止證明黑洞存在的最強證據(jù)。

從圖像上首先看到的是黑洞的陰影，亮度亮的地方和中心暗的區(qū)域，這次的成像幫助人們直接確認了黑洞的存在。茍利軍指出，在EHT的工作過程和后來的數(shù)據(jù)分析過程中，科學家們發(fā)現(xiàn)，所觀測到的黑洞陰影和廣義相對論所預(yù)言的幾乎完全一致，“令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大”。

讓科學家們興奮不已的遠不止于此。“黑洞是時空盡頭，存在一些我們想破解的謎團。首次給黑洞拍照可能幫助我們朝著解開這些謎更進一步?！焙ＶZ·法爾克如此表示。

照片不僅印證了愛因斯坦廣義相對論，更開啟了直接觀測黑洞的序幕。茍利軍認為，在此之前，科學家精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜，觀測、探測黑洞的方式非常間接，并不是直接的觀測方式，而這次就對M87中心黑洞質(zhì)量做出了一個獨立的測量。

路如森表示，目前，對2017年M87中心黑洞的觀測數(shù)據(jù)仍在繼續(xù)分析中，研究人員希望通過對輻射的偏振研究來獲取黑洞周圍的磁場性質(zhì)，這對理解黑洞周圍的物質(zhì)吸積及噴流形成至關(guān)重要，能幫助人們理解噴流是如何發(fā)生的。

美國哈佛大學物理學教授安德魯·施特羅明格則表示，黑洞是一個非常活躍的地方，那里發(fā)生了很多事。尤其當人們將量子力學效應(yīng)考慮在內(nèi)時，許多問題依然令人困惑。黑洞照片將揭示那里的“生機”，提供更多思路。

哈佛大學數(shù)學系教授丘成桐指出，對黑洞的直接觀測對理解我們所處的時空至關(guān)重要，黑洞照片的細節(jié)具有歷史性的重要意義。（本刊綜合）