史上第一次拍攝黑洞

Holiso

本世紀(jì)最重要的科學(xué)突破

在銀河系的中心，有一個靠吞噬高溫氣體為生的超級黑洞。它將一切接近它的東西吞噬殆盡——連光也不例外。我們看不見黑洞本身，但可以觀察到黑洞表面視界線（天文學(xué)上指黑洞的邊界，在此邊界以內(nèi)的光無法逃離）留下的投影，而一張黑洞影子的照片，可以幫助我們找到宇宙重要問題的答案?？茖W(xué)家們曾經(jīng)認(rèn)為，拍攝這樣一張黑洞的照片需要地球大小的天文望遠(yuǎn)鏡——直到凱蒂·伯曼和一支由天文學(xué)家組成的團(tuán)隊想出了一個聰明的解決辦法。

史上首張黑洞照片一經(jīng)問世，引發(fā)全球關(guān)注。在這之前，科學(xué)家們只能追蹤到光子消失的視界，而真正的黑洞依然是巨大的謎團(tuán)。被拍攝的黑洞位于M87星系中，距離地球超過5 500萬光年，還有個夏威夷語名字“Powehi”，意指“無限創(chuàng)造的黑暗源泉”。黑洞照片是EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）跨國研究計劃的工作成果。EHT散布世界各地的8臺望遠(yuǎn)鏡共同形成與地球一樣大的虛擬數(shù)組式望遠(yuǎn)鏡，其中2臺就位于夏威夷毛納基休眠火山上。天文學(xué)家認(rèn)為，夏威夷對EHT計劃有重要貢獻(xiàn)，因此，以夏威夷語給首度曝光的黑洞命名。

事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測，可以算作本世紀(jì)最重要的科學(xué)突破。遺憾的是，刷屏多天的照片并不是真正意義上的“黑洞照片”，更合適的解釋是科學(xué)家對龐大的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，“拼”出了世界上第一張黑洞照片。雖然黑洞是看不見的，但如果以無線電波長放大，我們就會看到一圈光線由圍繞黑洞的等離子體引力透鏡產(chǎn)生，這個黑洞在背后明亮物質(zhì)的襯托下，留下了一個圓形的暗影，而它周圍的光環(huán)勾勒出黑洞邊界的位置，這個邊界稱為事件視界。

廿九芳華，熠熠生輝

沒有人見過真正的黑洞，那么什么樣的圖才像真正的黑洞呢？領(lǐng)導(dǎo)這一團(tuán)隊的是來自美國麻省理工學(xué)院的29歲漂亮小姐姐，她名叫凱蒂·伯曼。凱蒂的父親查爾斯·伯曼是普渡大學(xué)的工程系教授，凱蒂從十幾歲起，就申請加入普渡大學(xué)科研項(xiàng)目，跟著父親研究計算機(jī)成像技術(shù)。凱蒂在高中生涯的最后一年，從授課老師口中了解到“事件視界望遠(yuǎn)鏡計劃”。這個不經(jīng)意間聊到的話題一直埋在她心里。高中畢業(yè)后，凱蒂考入密歇根大學(xué)安娜堡分校學(xué)習(xí)電氣工程，因?yàn)槌煽儍?yōu)異，獲得美國國家科學(xué)基金會獎學(xué)金，以最高榮譽(yù)身份畢業(yè)。2015年，當(dāng)人類第一次直接探測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，“聽”到了黑洞的“聲音”，作為計算機(jī)成像工程研究者，凱蒂想親眼看看黑洞。盡管毫無天文學(xué)和物理學(xué)背景，但這并不妨礙她了解宇宙的興趣。凱蒂把實(shí)習(xí)地點(diǎn)選在麻省理工學(xué)院的海斯塔克天文臺。在獲得了電氣工程及計算機(jī)成像科學(xué)碩士之后，她終于受邀加入“事件視界望遠(yuǎn)鏡計劃”，以初級研究員的身份參與黑洞拍攝。

由于衍射現(xiàn)象（是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象），我們能看到的最小物體是有限制的，而當(dāng)我們看到的東西越來越小時，望遠(yuǎn)鏡需要變得很大。黑洞離我們那么遙遠(yuǎn)，即便是地球上功能最強(qiáng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其分辨率也不足以讓我們看清黑洞。如果有一臺天文望遠(yuǎn)鏡能將整個黑洞“拍攝”下來，那這臺望遠(yuǎn)鏡的直徑將達(dá)到10000千米，但是地球直徑也不過13000千米。要想看到黑洞，我們需要一個和整個地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡，這無異于天方夜譚。但是，辦法總會有的。假如地球大小的望遠(yuǎn)鏡被造出來了，就相當(dāng)于一個巨大的球形迪斯科燈，每一面鏡子都會收集光線，將這些光線組合成圖片，從而看到清晰的黑洞邊界。假設(shè)我們將大多數(shù)鏡子移走，只保留幾片，我們?nèi)钥梢試L試將信息合成圖片。留下來的這幾片鏡子就是地球上的8臺電波望遠(yuǎn)鏡（智利ALMA、智利APEX、西班牙IRAM、夏威夷Maxwell、墨西哥LMT、夏威夷SMA、美國ARO、南極SPT），但它們對于制成一張黑洞照片來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。好在地球一直在不停旋轉(zhuǎn)，這些望遠(yuǎn)鏡就可以收集到不同部分的信息，將球形迪斯科燈上的空缺部分填滿，從而“拼”出黑洞照片。

早聞其名，不見其形

歷史上最早提出“黑洞”這一概念是在1795年，著名的法國數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家拉普拉斯在一部專著中，根據(jù)牛頓萬有引力定律提出，如果有一顆星球，密度與地球相同，但是直徑比太陽大250信，那么在這顆星球的表面，引力將大得使它所發(fā)出的光也不能離開它，因而從外面根本看不到它。

1915年，愛因斯坦證明在一個天體的引力場中，如果引力強(qiáng)大到能夠把光都囚禁住，那么牛頓萬有引力定律將不再適用，應(yīng)該代之以一種新的理論，即廣義相對論。另外，他還在狹義相對論中提出，任何物體的運(yùn)動速度都不可能超過光速。因此，如果一個天體的引力大到連光也不能離開它，那么，在任何情況下，任何物體也都不可能逃離這個天體。愛因斯坦的引力理論以一個高等數(shù)學(xué)方程的形式給出。

1916年，德國天文學(xué)家史瓦西求解廣義相對論得到一個不可思議的解。后來才知道，那就是具有強(qiáng)大引力，連光也會被吞噬的天體“黑洞”。愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為引力是時空彎曲造成的。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，當(dāng)致密天體的全部質(zhì)量都壓縮到某一范圍內(nèi)時，它周圍的空間因?yàn)橐澢饺魏挝镔|(zhì)和輻射都逃不出來時，便形成了黑洞。按照史瓦西的解，如果把一個天體的質(zhì)量全部壓縮到某一半徑范圍里，它周圍的空間就會極度彎曲，使得引力強(qiáng)大到如拉普拉斯所說，任何物質(zhì)和輻射都逃不出來。人們后來把這半徑稱為史瓦西半徑。對于太陽質(zhì)量，計算得到的史瓦西半徑等于2.95千米;而對于地球質(zhì)量，則半徑為8.9毫米。按照史瓦西的解，在史瓦西半徑范圍內(nèi)，空間和時間都喪失了原有的特征，用于測量距離和時間的規(guī)則也全都失效了，時間趨于無限，而距離變?yōu)?。英國天文學(xué)家艾丁頓就此說：“這種奇異的時空世界是我們無法在其中進(jìn)行任何測量的怪物。”

蛛絲馬跡，現(xiàn)出原形

1939年，物理學(xué)家奧本海默利用廣義相對論方程，計算出了沒有熱核反應(yīng)的大質(zhì)量恒星經(jīng)過引力坍縮，最終形成黑洞的真實(shí)過程。而這種“冷”恒星質(zhì)量需達(dá)到一定程度（奧本海默極限）才能形成黑洞。根據(jù)奧本海默的理論，恒星形成黑洞有以下兩個過程：恒星在結(jié)束熱核反應(yīng)后，經(jīng)歷超新星爆發(fā)，其核心質(zhì)量仍大于奧本海默極限，則直接坍縮形成黑洞;恒星在結(jié)束熱核反應(yīng)后，經(jīng)歷超新星爆發(fā)，其核心質(zhì)量小于奧本海默極限但形成中子星，外圍殘余物質(zhì)又繼續(xù)落向中子星，積累到大于奧本海默極限后，再度坍縮成黑洞。

黑洞模型在很長一段時間里被認(rèn)為只是純數(shù)學(xué)的推導(dǎo)。不過，現(xiàn)在天文學(xué)家經(jīng)過經(jīng)年累月的觀測，已經(jīng)獲得許多這類黑洞的間接觀測證據(jù)。就拿我們頭頂?shù)你y河系中心的黑洞來說，十幾年前科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)有的恒星繞著銀河系中間的某一個地方轉(zhuǎn)了一圈，利用“開普勒三定律”就可以把中間的黑洞質(zhì)量算出來。天文學(xué)家在20世紀(jì)60年代初發(fā)現(xiàn)了一種天體，它們在望遠(yuǎn)鏡里看起來只是一個亮點(diǎn)，與恒星沒有什么兩樣，可是離我們的距離達(dá)幾十億光年甚至更遠(yuǎn)。據(jù)此計算它們發(fā)射的能量，有的可以超過100個大星系的總和。它們所發(fā)射的能量，大部分來自于一個直徑小于1光年的區(qū)域。這種天體被稱為類星體，天文學(xué)家尚不能直接觀測到類星體的中心究竟是什么，但按照理論模型，類星體很可能是正在形成中的星系的核心，它的中心處應(yīng)該是個超大質(zhì)量黑洞。體積足夠小，而質(zhì)量又大到能讓恒星們圍繞著旋轉(zhuǎn)的唯一物體，就是超級黑洞，它的密度大到能吸進(jìn)周圍一切物體，甚至是光。

邊吃邊長，越大越強(qiáng)

黑洞本身不發(fā)光，但是它的強(qiáng)大引力場會與周圍的物質(zhì)相互發(fā)生作用，使得這些物質(zhì)以極快的速度向黑洞墜落，獲得能量從而溫度升得極高，并且壓縮到很高的密度。這些高溫、高密度的物質(zhì)，會發(fā)射出強(qiáng)大的紫外光和X射線。黑洞周圍的物質(zhì)向黑洞墜落時，不是遵循直線下落，而是漩渦式下落。這些物質(zhì)會在黑洞周圍形成一個薄圓盤，稱為吸積盤。吸積盤內(nèi)側(cè)物質(zhì)的運(yùn)動速度可接近光速，部分物質(zhì)不會落入黑洞，會沿著與吸積盤的盤面垂直的軸線方向逃逸出去，形成噴流。這種速度接近光速的噴流可以噴射到幾百以至幾千光年遠(yuǎn)，天文學(xué)家已經(jīng)在許多類星體和星系的核心附近觀測到這種噴流產(chǎn)生的痕跡。吸積盤中的物質(zhì)，當(dāng)然有很大一部分，最終落進(jìn)了黑洞，黑洞因此會慢慢長大。黑洞吞噬周圍物質(zhì)的能力與黑洞本身的大小有關(guān)。黑洞質(zhì)量越大，它的引力場就越強(qiáng)大，不僅在同樣時間內(nèi)能吞噬更多的物質(zhì)，而且能夠吞噬更遠(yuǎn)距離的物質(zhì)。物質(zhì)一旦掉進(jìn)黑洞里面，就再也不可能逃逸出來了。

1975年，英國物理學(xué)家霍金經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，黑澗會緩慢地蒸發(fā)。黑洞的這種蒸發(fā)現(xiàn)象稱為霍金輻射?；艚疠椛鋾ё吆诙吹哪芰?，按照愛因斯坦的理論，能量和質(zhì)量是等價的，它們可以互相轉(zhuǎn)化。隨著時間流逝，黑洞的質(zhì)量越來越多地轉(zhuǎn)化成能量蒸發(fā)掉，最終黑洞將會消失。黑洞蒸發(fā)的速度也與黑洞的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越小的黑洞，蒸發(fā)越快。很明顯，如果黑洞很小，吞噬周圍物質(zhì)的能力就很弱，而且在近距離內(nèi)沒有足夠多的物質(zhì)供它吞噬長大，那么它很快就會消失。

黑洞存在于千萬光年外，遍布整個宇宙，之前卻從未在人類面前露出過真容。

人造黑洞，鴻溝難越

天文學(xué)家認(rèn)為，每個星系都是在一個超大質(zhì)量黑洞的周圍建立起來的?，F(xiàn)在，天文學(xué)家已經(jīng)取得了比過去任何時候更強(qiáng)有力的證據(jù)，他們根據(jù)一個星系內(nèi)恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度，可以推斷出這個星系中心天體的質(zhì)量。對于包括銀河系在內(nèi)的一些星系，已經(jīng)測量出在它們中心只有太陽和地球間距離幾倍大的空間中，集中了幾百萬、上千萬倍太陽的質(zhì)量，從而表明了在這空間中物質(zhì)的密度極高，只可能是一個黑洞。這種超大質(zhì)量黑洞不是單顆恒星內(nèi)部的物質(zhì)坍落形成的，而是星系形成過程的產(chǎn)物。

那么，我們能不能在實(shí)驗(yàn)室里制造黑洞呢？不論在實(shí)驗(yàn)室里，還是在理論上，目前還找不到一種方法，能夠使物質(zhì)的密度變得像黑洞那樣高。可是，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，當(dāng)大量的能量集中于一點(diǎn)時，也應(yīng)該會出現(xiàn)黑洞?？茖W(xué)家要在實(shí)驗(yàn)室里制造黑洞，只能循著這一途徑。日內(nèi)瓦歐洲原子核研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，是世界上最強(qiáng)大的粒子加速器，它能以14萬億電子伏的撞擊能量把質(zhì)子打碎。這么強(qiáng)大的能量是不是已經(jīng)足以生成一個哪怕非常微小的黑洞呢？很遺憾，按照我們原有的關(guān)于粒子以及粒子相互作用的知識，以這種方式制造一個黑洞的最小能量，是上述大型強(qiáng)子對撞機(jī)所能產(chǎn)生的能量的1億億倍。建造一個能夠達(dá)到這么高能量的粒子加速器的可能性實(shí)際上永遠(yuǎn)為零。

黑洞是整個天文學(xué)和物理學(xué)最前沿的一個課題，就像所有新發(fā)現(xiàn)一樣，這只是一個開始。中國2017年已經(jīng)發(fā)射了第一顆X射線衛(wèi)星，2021年會發(fā)射一顆愛因斯坦探針衛(wèi)星，2025年會發(fā)射慧眼第二代衛(wèi)星，這幾顆衛(wèi)星會為黑洞研究提供非常大的幫助。