首張黑洞照片誕生的秘密

文/王善欽（南京大學(xué)-加州大學(xué)伯克利分校天體物理學(xué)博士）

事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）拍攝到的M87中心的黑洞及其附近明亮的物質(zhì)環(huán)，這個(gè)物質(zhì)環(huán)發(fā)出明亮的毫米波。

黑洞不僅是天文學(xué)和物理學(xué)中最重要的名詞之一，也是整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中最具神秘色彩的概念之一。當(dāng)一個(gè)天體足夠致密時(shí)，距離其中心某個(gè)范圍以內(nèi)的光無法逃脫出去，這個(gè)物體就成為黑洞。光恰好無法逃脫的地方，構(gòu)成一個(gè)面，即“事件視界”。事件視界外面的觀測(cè)者無法看到事件視界以內(nèi)，事件視界的大小也就因此代表著黑洞的大小。盡管牛頓理論也可以預(yù)言黑洞的存在，但只有愛因斯坦的廣義相對(duì)論可以正確描述黑洞及其周圍時(shí)空的性質(zhì)。

長(zhǎng)期以來，人們對(duì)黑洞的真實(shí)面貌僅停留在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與藝術(shù)想象的層面。過去幾年來，一個(gè)國(guó)際聯(lián)合小組動(dòng)用世界上8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡，共同拍攝了一張巨型黑洞的照片。這張照片于2019年4月10日一經(jīng)公布便轟動(dòng)了世界。這張著名的黑洞照片到底藏著哪些秘密呢？

尋找黑洞

如果一個(gè)黑洞周圍沒有任何物質(zhì)，也沒有任何遙遠(yuǎn)的星光經(jīng)過它附近，那么，我們就無法察覺到它的存在。但是，如果黑洞附近有恒星、分子云或者塵埃團(tuán)，它就有可能暴露行蹤。比如，黑洞與附近的恒星構(gòu)成雙星系統(tǒng)，恒星在周期性地運(yùn)動(dòng)，人們就可以判斷出有一個(gè)黑洞在影響這個(gè)恒星。在更極端的情況下，黑洞周圍的物質(zhì)落入黑洞，物質(zhì)在下落過程中，內(nèi)部互相摩擦，產(chǎn)生的大量熱量會(huì)使物質(zhì)發(fā)出強(qiáng)光，我們可以根據(jù)觀測(cè)到的強(qiáng)光計(jì)算出中心正在“大吃大喝”的天體的質(zhì)量和體積，進(jìn)而判斷出它們是黑洞。

人們通過上述方法分別證明，宇宙中有一些恒星級(jí)黑洞與超大質(zhì)量黑洞，前者往往與另一個(gè)恒星共舞，后者則位于一些星系的中心。比如，我們的銀河系中心人馬座方向就有一個(gè)黑洞，被稱為“人馬座A*”，它的質(zhì)量是420萬個(gè)太陽，它周圍的物質(zhì)大都離它足夠遠(yuǎn)，只有少量物質(zhì)落入其中，讓它慢慢“享用”。距離我們5500萬光年（1光年約等于10萬億千米）之外的星系M87中心也有一個(gè)黑洞，其質(zhì)量比銀河系中心的黑洞大上千倍，達(dá)到65億個(gè)太陽質(zhì)量，它周圍有大量物質(zhì)離它非常近，因此不斷下落，供它持續(xù)“大吃大喝”。

直接拍攝黑洞

上文所說的方法雖然可以判斷出哪里存在黑洞，但都是通過間接的方法判定的。人們希望可以直接拍攝出黑洞的圖像。

但如果黑洞周圍什么都沒有，那就無法進(jìn)行拍攝，這就如人們無法在黑色的煤礦里拍攝一塊黑色的煤炭。但是，如果黑洞周圍有大量物質(zhì)在發(fā)出強(qiáng)烈的光，那么我們就可以拍攝到黑洞。這就如同我們拍攝雪地里的一塊煤炭，煤炭本身并不發(fā)光也不反射光，但我們拍出的周圍環(huán)境是白色的，那其中黑色的自然就是煤炭。

因而，這次天文學(xué)家直接拍攝黑洞采用的方法是：用望遠(yuǎn)鏡直接接收黑洞周圍物質(zhì)發(fā)出的電磁波，從而區(qū)分出黑洞周圍的物質(zhì)和黑洞自身。

為此，天文學(xué)家挑選出兩個(gè)最適合直接觀測(cè)的黑洞：5500萬光年之外M87中心的黑洞M87*和銀河系中心的黑洞人馬座A*。為什么選擇這兩個(gè)黑洞？因?yàn)檫@兩個(gè)黑洞看起來較大。一個(gè)物體要看起來較大，就必須自身大，或者距離近，最好自身大且距離近。定量判斷“看起來的大小”的方式很簡(jiǎn)單：用黑洞的直徑除以黑洞與我們的距離，得到一個(gè)張角，這個(gè)張角的大小就可衡量黑洞看起來的大小。M87*和人馬座A*的張角都大約為15微角秒，即100萬分之15角秒，相當(dāng)于在地球上看到月球上的一個(gè)乒乓球的大小。這兩個(gè)黑洞周圍的物質(zhì)，則會(huì)達(dá)到幾十微角秒。這兩個(gè)黑洞及其周圍物質(zhì)的張角是有望被拍到的所有黑洞里最大的，因此它們被選中了。

拍攝過程困難重重

天文學(xué)家拍攝黑洞的想法雖然簡(jiǎn)單，也有了最佳的候選黑洞，但長(zhǎng)期以來無法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕臄z它們實(shí)在太困難了，而最大困難就在于分辨率不夠。所有儀器都有分辨率，以能夠分辨出的角的大小為衡量標(biāo)準(zhǔn)。儀器分辨角太大時(shí)，就無法觀測(cè)到物體的細(xì)節(jié)。比如，用分辨角是10角秒的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)1角秒大小的物體，就難以發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)；但如果用分辨角是1角秒的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)這個(gè)物體，就可以觀測(cè)到這個(gè)物體的細(xì)節(jié)。

上文說過，M87*和人馬座A*的張角大約是幾十微角秒，但望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的分辨角約等于波長(zhǎng)與直徑的比值，射電望遠(yuǎn)鏡使用的是射電波，波長(zhǎng)為1毫米左右到幾十米。即使波長(zhǎng)短到1毫米，直徑大到500米，最小分辨角也有0.4秒，即40萬微角秒，是上述兩個(gè)黑洞張角的上萬倍，所以根本無法拍出清晰的黑洞圖像。

組合式望遠(yuǎn)鏡顯神威

為了讓望遠(yuǎn)鏡的分辨角更小，一個(gè)解決方法是建造更大直徑的射電望遠(yuǎn)鏡，不過這個(gè)方法難度太大，代價(jià)也太高。即使把射電望遠(yuǎn)鏡的直徑擴(kuò)大到幾萬米，也不能解決問題。不過，天文學(xué)家早已想到了更好的方法：在某個(gè)時(shí)間段，將全球多地的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合成“一個(gè)望遠(yuǎn)鏡”，其直徑即可等于地球直徑，即1萬多千米。

如果這個(gè)聯(lián)合起來的射電望遠(yuǎn)鏡的每個(gè)成員都可以觀測(cè)到黑洞周圍的物質(zhì)發(fā)出的毫米波，那么它作為一個(gè)整體的分辨角恰好可以達(dá)到20微角秒，與上述的兩個(gè)黑洞的張角差不多，且小于黑洞周圍物質(zhì)的分辨角。這樣的望遠(yuǎn)鏡就可以分辨出上述的黑洞及其周圍物質(zhì)的細(xì)節(jié)了。幸運(yùn)的是，黑洞周圍熾熱的物質(zhì)會(huì)發(fā)出大量毫米波，這些毫米波不會(huì)受到周圍物質(zhì)與行進(jìn)過程中遇到的物質(zhì)的強(qiáng)烈吸收，可以很輕松地到達(dá)地球。

人們將這種多個(gè)距離遙遠(yuǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合在一起形成的望遠(yuǎn)鏡稱為“甚長(zhǎng)基線干涉儀”。雖然幾十年前就已經(jīng)有了這個(gè)技術(shù)，但人們一直未能研制出足夠多且距離足夠遠(yuǎn)，可以接收毫米波的射電望遠(yuǎn)鏡。直到最近一些年，符合條件的射電望遠(yuǎn)鏡才陸續(xù)出現(xiàn)，特別是位于智利干燥的阿塔卡馬沙漠里的大型毫米/亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡陣（ALMA）的建成，極大地促成了這個(gè)聯(lián)合望遠(yuǎn)鏡陣的最終形成。位于智利、墨西哥、西班牙、美國(guó)、南極洲等地的8個(gè)毫米波射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成了一個(gè)臨時(shí)的組合望遠(yuǎn)鏡。其中，位于南極洲的望遠(yuǎn)鏡是為了這個(gè)項(xiàng)目特意建造的。

臨時(shí)構(gòu)成的這個(gè)組合式望遠(yuǎn)鏡被命名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，縮寫為“EHT”。EHT團(tuán)隊(duì)共有200多位世界各國(guó)的科學(xué)家參與。特別需要提及的是，在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中，我國(guó)大陸的科學(xué)家有16位，其中上海天文臺(tái)8人，南京大學(xué)與北京大學(xué)各2人，云南天文臺(tái)、高能物理所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)各1人。此外，還有多位來自中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)多所大學(xué)與研究所的學(xué)者也參與了EHT團(tuán)隊(duì)。

激動(dòng)人心的時(shí)刻

2017年4月，在一切準(zhǔn)備就緒后，EHT的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)準(zhǔn)黑洞M87*中心。觀測(cè)5天后，EHT團(tuán)隊(duì)便得到了大量數(shù)據(jù)。在此后2年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)中的數(shù)據(jù)處理專家們細(xì)致入微地處理著這些珍貴的數(shù)據(jù)。為避免錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)處理由兩個(gè)獨(dú)立小組分別進(jìn)行，禁止彼此交流。只有兩個(gè)小組得到完全一樣的圖像時(shí)，才可以判定圖像是正確的。此外，黑洞周圍物質(zhì)發(fā)出的毫米波到達(dá)地球上不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間有細(xì)微差異，數(shù)據(jù)處理專家們用超級(jí)計(jì)算機(jī)扣除時(shí)間差，將它們同步。

最終，EHT合作者得到了黑洞M87*的圖像。這個(gè)圖像與此前理論研究的結(jié)果高度契合。之前曾有理論專家用計(jì)算機(jī)研究后指出，黑洞周圍的陰影部分的形狀如同月牙；由于黑洞周圍物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致一部分月牙狀物質(zhì)比另一部分月牙狀物質(zhì)更明亮。拍攝下來的圖像證實(shí)了這些細(xì)節(jié)。在首張黑洞照片中，中間完全黑暗的部分就是黑洞。必須說明的是，黑洞周圍物質(zhì)發(fā)出的毫米波是沒有顏色的，科學(xué)家們用不同的顏色表示它們的溫度。

此外，銀河系中心的黑洞人馬座A*的拍攝任務(wù)也已經(jīng)完成，但因?yàn)槟承┰?，?duì)它的數(shù)據(jù)處理過程被延誤了，我們會(huì)在不遠(yuǎn)的將來看到它的真容。

未來更美

天文學(xué)家首次拍攝到黑洞照片，具有多個(gè)重大的科學(xué)意義：首先，它首次以最直接的方式證實(shí)了宇宙中存在黑洞；其次，拍攝到的照片與廣義相對(duì)論得到的理論完全符合，又一次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，也驗(yàn)證了后續(xù)計(jì)算的可靠性；最后，獲得的圖像可以幫助科學(xué)家們分析黑洞周圍物質(zhì)的物理性質(zhì)，以及它們發(fā)出電磁波的具體機(jī)制。

2017年拍攝黑洞及其周圍物質(zhì)時(shí)，接收的是物質(zhì)發(fā)出的1.3毫米的電磁波。以后類似的拍攝行動(dòng)可以使用0.8毫米的電磁波，這將使分辨角進(jìn)一步縮小到原來的0.6倍，將可以看得更清楚。此外，將來會(huì)有更多射電望遠(yuǎn)鏡加盟，獲得的圖像質(zhì)量將更高，我們也將看到更細(xì)致、更漂亮的黑洞圖像。