黑洞什么樣？這次有圖有真相

于紫月

黑洞，宇宙中的當(dāng)紅“大咖”，天文學(xué)界、物理學(xué)界的“寵兒”。巨大的質(zhì)量、近乎于零的體積、吞噬一切的引力、無限高的時空曲率，就連光也無法逃脫它的“魔爪”。

自20世紀(jì)開始，人們對黑洞的探秘就從未停止過。然而，經(jīng)過全球200多位科學(xué)家數(shù)年的努力，直到今年的4月10日，人們才真正看到第一張黑洞照片。

過去科學(xué)家如何確定黑洞的存在？如今給黑洞“拍照”有何難點？“相機(jī)”在哪些方面取得了突破？首次“拍照”黑洞的嘗試，對象選擇有何“訣竅”？

隱形的它刷足存在感

“黑洞體積很小，而且與地球的距離非常遙遠(yuǎn)，限于單個望遠(yuǎn)鏡的分辨率，我們無法直接看到黑洞。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員茍利軍告訴筆者。

雖然看不到它，但科學(xué)家很早之前就預(yù)知了它的存在。早在十八世紀(jì)，數(shù)學(xué)家拉普拉斯等人基于經(jīng)典的牛頓萬有引力，提出了“暗星”的存在，這可以算是黑洞概念的雛形。1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，給出了后世皆知的愛因斯坦場方程。1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，表明如果將大量物質(zhì)集中于空間一點，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點周圍存在一個界面——事件視界面，一旦進(jìn)入視界面，即使光也無法逃脫。美國物理學(xué)家約翰·惠勒將之形象地稱為“黑洞”。

自史瓦西得到黑洞的第一個解之后，許多物理學(xué)家也開始投身到對這種“不可思議的天體”的研究中。20世紀(jì)30年代，美國的“原子彈之父”奧本海默研究發(fā)現(xiàn)，恒星在一定環(huán)境下可以坍縮形成黑洞，這種觀點在近幾十年的數(shù)值計算中得到了證實。

隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，對于天體的研究顯然不會僅僅停留在計算的層面。但問題是，黑洞不同于其他天體，它既然連光都能吞噬，人類又怎能在茫茫宇宙中發(fā)現(xiàn)黑洞呢？

“科學(xué)家可通過測量黑洞對周圍天體的作用和影響，如吸積盤、噴流現(xiàn)象等，間接觀測或推測黑洞的存在?！逼埨姳硎荆镔|(zhì)在被吞噬時，會沿螺旋狀軌道靠近并落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤狀的吸積盤。在黑洞的引力下，吸積盤內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億攝氏度的高溫，從而發(fā)出輻射。黑洞“吸食”周圍的天體物質(zhì)時，部分氣體在被“吃”之前會沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。

吸積盤和噴流都是宇宙中極為明亮的現(xiàn)象。1964年，美國科學(xué)家利用探空火箭在天鵝座區(qū)域偶然發(fā)現(xiàn)了一個非常明亮的X射線天體，科學(xué)家將其命名為“天鵝座X-1”。它成為了人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞候選體。此后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量黑洞，這其中包括質(zhì)量與天鵝座X-1差不多、相當(dāng)于幾十倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，也包括幾十萬、上百萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。此前有科學(xué)家估算過，質(zhì)量高于10個太陽質(zhì)量的黑洞數(shù)目應(yīng)該多于1億個。

視界面望遠(yuǎn)鏡“大展拳腳”

僅僅通過間接信息來觀測黑洞顯然已經(jīng)無法滿足科學(xué)家們的好奇心了。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(yuǎn)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(yuǎn)鏡構(gòu)建成一個口徑等同于地球直徑的超級“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——視界面望遠(yuǎn)鏡（EHT）。

“吸積盤的輻射主要是在可見光、紫外以及X射線波段。”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(yuǎn)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(yuǎn)鏡的口徑也擴(kuò)大到了地球直徑大小，使虛擬望遠(yuǎn)鏡的分辨率大為提升，因此可以進(jìn)行觀測黑洞的嘗試?！逼埨姼嬖V筆者。

地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡是如何煉成的？簡單說來，VLBI是把幾個小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來，達(dá)到一架大望遠(yuǎn)鏡的觀測效果?！袄肰LBI技術(shù)將多臺望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)觀測時，虛擬望遠(yuǎn)鏡的口徑大小取決于其中距離最遠(yuǎn)的兩臺望遠(yuǎn)鏡之間的距離?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺研究員陳學(xué)雷在接受筆者采訪時表示。

從參與觀測的8臺望遠(yuǎn)鏡所處的地理位置來看，西班牙格拉納達(dá)市與美國夏威夷莫納基亞山距離超過10000公里，與地球直徑相當(dāng)。

“兩臺望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成一條基線。最長的基線能提供目標(biāo)天體最細(xì)致的細(xì)節(jié)，而參與組網(wǎng)的望遠(yuǎn)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(biāo)天體在不同尺度的細(xì)節(jié)。”陳學(xué)雷說。

科學(xué)家們付出諸多努力打造出這臺“巨無霸相機(jī)”，用了數(shù)日進(jìn)行“拍照”，但“洗照片”的過程卻花費了2年時間。為何“沖洗”時間如此之長？

“這類觀測的數(shù)據(jù)處理并非只用一套現(xiàn)成的方法。多臺望遠(yuǎn)鏡之間的鐘差、望遠(yuǎn)鏡自身狀態(tài)隨時間的微小改變等問題都會影響觀測精度。另一方面，‘拍照對象黑洞本身也在不斷變化，科學(xué)家需要探索新方法對‘相機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，建立模型，以提升合成圖像的質(zhì)量和精度?！标悓W(xué)雷指出，數(shù)據(jù)處理過程中需要根據(jù)處理結(jié)果不斷調(diào)整運算方法，加之?dāng)?shù)據(jù)量巨大，因此用時很長。有報道稱，為了處理這些海量數(shù)據(jù)，美國麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家開發(fā)了新算法，以加快數(shù)據(jù)分析。

工作在射電波段的視界面望遠(yuǎn)鏡正在“刷屏”，但我們是否有更好的選擇？中國科學(xué)院上海天文臺副臺長袁峰此前表示，如果用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測黑洞需要達(dá)到幾公里的口徑，紅外望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到10～100公里口徑。

“建設(shè)數(shù)公里甚至數(shù)十公里的單口徑光學(xué)或紅外望遠(yuǎn)鏡顯然工程浩大、難以實現(xiàn)，而‘合眾之力的干涉測量技術(shù)在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用也尚不成熟?！标悓W(xué)雷表示，在目前技術(shù)水平下利用大口徑射電望遠(yuǎn)鏡“組團(tuán)”觀測是最為現(xiàn)實的選擇。

選擇“拍照”對象有學(xué)問

在目前發(fā)現(xiàn)的大量黑洞候選體中，科學(xué)家為何會“相中”人馬座A*黑洞和M87星系中心黑洞進(jìn)行“拍照”？

“這兩個黑洞的視大小是我們所發(fā)現(xiàn)的黑洞中最大的兩個?！逼埨姼嬖V筆者，視大小指我們從地球上觀測天體時，直接看到的天體大小。這取決于天體本身的直徑以及它與地球的距離。同樣大小的天體距離我們越遠(yuǎn)，在天空中看起來就越小。

人馬座A*黑洞位于銀河系中心?！跋鄬碚f，人馬座A*黑洞并非是我們觀測到的最大質(zhì)量的黑洞，但是它距離地球最近，被看作研究黑洞物理的最佳對象。”茍利軍表示，M87星系黑洞則以“胖”著稱，其質(zhì)量估計可達(dá)幾十億倍太陽質(zhì)量。

“以前關(guān)于黑洞的證據(jù)并不直接，此次‘拍照能獲得最為直接的證據(jù)，給兩個黑洞‘驗明正身，確認(rèn)之前的間接觀測和推測是否正確，也為今后的研究和觀測提供一種檢驗方式?！逼埨娭赋?。

本次“拍照”還可為一些基礎(chǔ)物理研究提供數(shù)據(jù)或解釋天文現(xiàn)象成因，如噴流的形成，科學(xué)家們希望能夠解釋黑洞自旋是否為噴流提供了能量源。而通過觀察黑洞視界面的大小和形狀，或許能夠首次在超大質(zhì)量黑洞周圍的極端空間驗證愛因斯坦引力理論。甚至，有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物體，用來驗證其它恒星塌縮理論。

百載汲汲求索，今朝何其幸運能夠見證第一張黑洞照片問世。當(dāng)然，掀起黑洞甚至更多神秘天體的“蓋頭”，今天邁出的僅僅是第一步，未來我們會一直在路上。