黑洞露臉

劉安立

2019年4月10日，北美東部夏令時(shí)間大約早晨9點(diǎn)，地球人首次得以和黑洞面對(duì)面——科學(xué)家公布了視界望遠(yuǎn)鏡（由8部射電望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)）對(duì)大約5500萬(wàn)光年外的M87星系中央黑洞的首批探測(cè)結(jié)果，即這個(gè)相當(dāng)于65億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞的光譜輪廓（視界輪廓）?？茖W(xué)家說(shuō)，這是他們首次拍攝到黑洞照片。

黑洞照片看似平淡實(shí)際上很出彩

由于黑洞非常致密，質(zhì)量極大，因此不會(huì)有能逃離黑洞巨大引力的光線，這意味著黑洞輪廓照片已經(jīng)是能拍攝到的最佳黑洞照片。這些新照片的清晰度足以分辨黑洞視界的驚人輪廓。所謂視界是指一個(gè)邊界，過(guò)了這個(gè)邊界就連以光速穿行的物體也無(wú)法逃離黑洞引力。之所以能得到這種背光照片，是因?yàn)樵诤诙粗車嬖诒慌で墓饩€和環(huán)繞黑洞的超高溫和明亮的氣云。多年來(lái)科學(xué)家畫(huà)出了無(wú)數(shù)對(duì)黑洞的想象圖。與這些想象圖相比，第一批黑洞照片并不“出彩”。黑洞的這些真實(shí)寫(xiě)照就好像是用老式相機(jī)拍攝的模糊火圈，而且照片上有污點(diǎn)。但考慮到黑洞令人難以捉摸的本質(zhì)，這些照片在科學(xué)家眼中卻美得出奇。

對(duì)黑洞的嚴(yán)肅研究好幾十年前就開(kāi)始了。但在這次拍攝黑洞照片之前，科學(xué)家不可能直接觀測(cè)黑洞。為了確定黑洞位置，科學(xué)家依賴間接觀測(cè)手段，例如追蹤環(huán)繞黑洞的恒星或氣云的異常軌跡，然后推測(cè)這些軌跡內(nèi)部的天體。這一工作的難度之大，就好比從蛋糕烤箱本身猜測(cè)蛋糕味道。這樣探測(cè)到的數(shù)據(jù)自然有種種缺陷，只能說(shuō)明黑洞“應(yīng)該”存在。但即便如此，科學(xué)家還是一直在優(yōu)化對(duì)黑洞實(shí)際樣子的預(yù)測(cè)模型?？吹降谝慌诙凑掌?，科學(xué)家的感覺(jué)是驚人的熟悉。換句話說(shuō)，他們?cè)缇拖氲搅苏嬲暮诙淳褪沁@個(gè)樣。

拍攝黑洞強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合形成卓越視覺(jué)

參與視界望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)的天文臺(tái)分別位于南極洲、歐洲、南美洲、非洲、北美洲和大洋洲。所有參與進(jìn)來(lái)的望遠(yuǎn)鏡都必須直接對(duì)準(zhǔn)被觀測(cè)目標(biāo)，以測(cè)量該目標(biāo)附近的活動(dòng)。其中每個(gè)望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)都必須研發(fā)自己的模型，并相互比較。最終，每個(gè)團(tuán)隊(duì)的硬盤驅(qū)動(dòng)器都被送到位于美國(guó)馬薩諸塞州波士頓郊外的海斯塔克天文臺(tái)進(jìn)行處理，以獲得黑洞剪影。早在2017年4月，視界望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)就獲得了M87的黑洞數(shù)據(jù)。接下來(lái)，一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)花了兩年時(shí)間來(lái)編輯和檢驗(yàn)探測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)分布于全球的天文臺(tái)陣列，視界望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)于一部和地球本身一樣大的超大望遠(yuǎn)鏡，足以分辨幾千萬(wàn)光年外的天體?？茖W(xué)家說(shuō)，視界望遠(yuǎn)鏡的放大程度就好比站在美國(guó)華盛頓特區(qū)看清洛杉磯市一個(gè)房間內(nèi)部的情況?；旧?，視界望遠(yuǎn)鏡的“視力”是眼力最好的人的大約300萬(wàn)倍。

在大約持續(xù)兩周的觀測(cè)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中的每一部望遠(yuǎn)鏡都能采集超大量數(shù)據(jù)，相當(dāng)于4萬(wàn)人一生的所有自拍照。把這些望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)得以產(chǎn)生躺在M87中心的黑洞（以下簡(jiǎn)稱M87黑洞）的陰影照片。

加入視界望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)的一部分大型望遠(yuǎn)鏡。

40年前就測(cè)準(zhǔn)黑洞模樣

40年前，科學(xué)家創(chuàng)制的第一幅黑洞模擬圖像竟然非常接近黑洞的首批實(shí)拍照。這幅模擬圖由法國(guó)科學(xué)研究中心的年輕科學(xué)家魯米奈特制作，它在1979年被發(fā)表時(shí)在世界范圍內(nèi)造成影響。它之所以很有創(chuàng)新性，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)界對(duì)黑洞是否存在都有爭(zhēng)議。

魯米奈特博士的黑洞模擬圖并非是藝術(shù)家想象圖，而是基于當(dāng)時(shí)猜想的黑洞及其氣盤的物理特征和愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論。運(yùn)用電腦數(shù)據(jù)，魯米奈特在一張白紙上用手畫(huà)了數(shù)千個(gè)黑點(diǎn)，然后采用照相底片制作出最終圖像。他當(dāng)時(shí)就想象了一個(gè)發(fā)光吸積盤中心的一個(gè)黑圈（當(dāng)時(shí)還沒(méi)有把這個(gè)圈像今天這樣稱為黑洞剪影），并且這個(gè)吸積盤的一側(cè)亮度明顯大于另一例。這是因?yàn)橛袃煞N效應(yīng)（即愛(ài)因斯坦效應(yīng)和多普勒效應(yīng)）在頻移來(lái)自吸積盤并到達(dá)地球的輻射。愛(ài)因斯坦效應(yīng)描述黑洞引力場(chǎng)怎樣扭曲到達(dá)地球的光線，這一扭曲導(dǎo)致來(lái)自黑洞背后吸積盤部分的光線看上去像是來(lái)自黑洞前方。多普勒效應(yīng)描述環(huán)繞黑洞飛奔的氣體在朝向地球時(shí)怎樣變得更亮，該效應(yīng)是由環(huán)繞黑洞的吸積盤旋轉(zhuǎn)造成的。這些特點(diǎn)在視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的黑洞照片上都能見(jiàn)到，這就證明了魯米奈特的黑洞模擬圖很準(zhǔn)確。在魯米奈特團(tuán)隊(duì)1991年發(fā)表的黑洞模擬升級(jí)圖像中這些特點(diǎn)更是明顯可見(jiàn)。在升級(jí)圖中，添加了凸顯多普勒效應(yīng)和非對(duì)稱性的橘色著色。

天才女生想出關(guān)鍵方法

科學(xué)家這次能拍攝黑洞照片，在很大程度上要?dú)w功于美國(guó)麻省理工學(xué)院的一名女生?，F(xiàn)年29歲的博士凱蒂（右）3年前創(chuàng)制了一種算法，它能采集來(lái)自全球望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)并拼接出M87黑洞照片。正是凱蒂的工作把地球變成了一部虛擬望遠(yuǎn)鏡。如果沒(méi)有她的算法，就根本不可能捕捉到M87黑洞圖像，因?yàn)樾枰徊恐睆?萬(wàn)千米的射電望遠(yuǎn)鏡才能達(dá)到虛擬望遠(yuǎn)鏡的分辨力。目前全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡直徑只有500米左右。凱蒂2017年在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。她將在加州理工學(xué)院擔(dān)任助教，研究方向是電腦成像。她的工作將填補(bǔ)視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的黑洞照片中的空白。

重大意義愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)終獲證實(shí)

迄今為止，科學(xué)家對(duì)黑洞視界以內(nèi)的情況只能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。但我們終于證實(shí)了黑洞的存在，這當(dāng)然是個(gè)偉大的開(kāi)端，是百年來(lái)最偉大的科學(xué)大發(fā)現(xiàn)之一。

M87黑洞的質(zhì)量哪怕按照超大質(zhì)量黑洞的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看也堪稱巨大。這個(gè)黑洞的體積幾乎和太陽(yáng)系一樣大?？茖W(xué)家說(shuō)，黑洞在塑造星系中的最大結(jié)構(gòu)方面起了關(guān)鍵作用，正是黑洞讓星系成了今天所見(jiàn)的樣子。通過(guò)觀測(cè)黑洞，可以更好地了解黑洞對(duì)星系歷史，乃至地球和人類歷史有什么影響。

雖然黑洞的第一批實(shí)拍照片看上去與以往的黑洞想象圖很像，因此好像僅僅是證實(shí)了之前的想象無(wú)誤，但實(shí)拍照的真正意義在于它們看來(lái)證實(shí)了愛(ài)因斯坦當(dāng)初對(duì)廣義相對(duì)論的一些預(yù)測(cè)。愛(ài)因斯坦首次提出廣義相對(duì)論至今己過(guò)百年。根據(jù)這一理論，像地球這樣的大質(zhì)量物體會(huì)很微妙卻又可被探查到地扭曲時(shí)間和空間，就像是墊子下面有一顆討厭的豆子。引力本身源自這一時(shí)空曲率。但在愛(ài)因斯坦等式的極端層面，存在著就連愛(ài)因斯坦自己一度也認(rèn)為荒謬的一個(gè)預(yù)測(cè)——如果一個(gè)物體足夠致密，它就可能把時(shí)空轉(zhuǎn)變成一種胃口大到無(wú)法想象的宇宙流沙坑，就連光線都不可能逃出這個(gè)坑——黑洞。

視界望遠(yuǎn)鏡所拍攝到的黑洞的詭異閃光其實(shí)是黑洞的自身活動(dòng)跡象。黑洞并不是休眠的魔獸——它們一直在吞噬氣體和宇宙物質(zhì)。隨著這些天體物質(zhì)環(huán)繞黑洞，它們會(huì)升溫，像云（其質(zhì)量可探測(cè)到）一樣包裹黑洞視界，發(fā)出光爆。在視界外距離視界最近的地方，引力強(qiáng)大得足以把光線路徑彎曲成像是一只發(fā)光的炸面圈的形態(tài)。M87黑洞的光影形狀和大小符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，這就證實(shí)了廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)正確。但環(huán)繞黑洞的光圈并非完美對(duì)稱——有一半比另一半明亮。科學(xué)家推測(cè)，這可能是由這些物質(zhì)和黑洞本身的旋轉(zhuǎn)引起的。

未解之謎先有黑洞還是先有星系

視界望遠(yuǎn)鏡在地球上探測(cè)到的其實(shí)是M87黑洞發(fā)射的無(wú)線電波。這些高能光波能到達(dá)地球，這本身就是一大奇跡。這些光波必須躲開(kāi)視界的“血盆大口”，穿越幾千萬(wàn)光年的星系際空間，最后還得避開(kāi)被地球大氣層中蒸汽的吸收。波長(zhǎng)為1.3毫米的無(wú)線電波剛好能完成這種非常嚴(yán)酷的旅程，而視界望遠(yuǎn)鏡要探測(cè)的正好是這樣的無(wú)線電波。實(shí)際上，那顆討厭的引力豆子不是在一張墊子上被感受到，而是在幾百萬(wàn)張墊子上都被感受到了。

當(dāng)然，拍攝到M87黑洞還只是開(kāi)始。采集到M87黑洞數(shù)據(jù)的那些望遠(yuǎn)鏡只是視界望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)分支而已，而來(lái)自M87黑洞的無(wú)線電波也只是該網(wǎng)絡(luò)探測(cè)目標(biāo)的一部分。在探測(cè)M87黑洞的同時(shí)，科學(xué)家也在密切追蹤距離地球更近的人馬座A*黑洞。這個(gè)黑洞位于我們所在的銀河系中心，距離地球2.6萬(wàn)光年。

在科學(xué)家宣布成功拍攝到M87黑洞照片的同時(shí)，美國(guó)宇航局的錢德拉太空天文臺(tái)（望遠(yuǎn)鏡）和一顆人造衛(wèi)星觀測(cè)到M87黑洞以接近光速噴射高能粒子流，噴射距離超過(guò)1000光年。美國(guó)宇航局的觀測(cè)旨在測(cè)量M87黑洞射流的X射線亮度，并與視界望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)結(jié)果及模型進(jìn)行比較。黑洞的一大奧秘是：為什么有一些黑洞有射流，而理論預(yù)測(cè)黑洞中物質(zhì)無(wú)法逃逸？科學(xué)家希望，對(duì)黑洞的最新觀測(cè)有助于回答這類長(zhǎng)期未決的疑問(wèn)。構(gòu)成M87黑洞射流的高能粒子是從視界附近一個(gè)區(qū)域射出的，射流明暗度神秘變化。x射線有助于科學(xué)家把視界附近粒子活動(dòng)與通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的情況聯(lián)系起來(lái)。

關(guān)于黑洞，還有很多未解之謎。超大質(zhì)量黑洞有可能存在于所有較大星系中心，但黑洞來(lái)源依然不明，也就是有個(gè)“先有雞蛋還是先有雞”的問(wèn)題：黑洞可能出生于新近誕生的星系，但也有可能是黑洞在星系本身的形成中起作用。另外，雖然M87黑洞的歪斜視界本身就是一個(gè)奇跡，但真正的奧秘在于黑洞深淵發(fā)生著什么?？茖W(xué)家推測(cè)，在黑洞的核心，物質(zhì)被剝離成最基本形式，已知的物理學(xué)法則可能不成立。

什么是黑洞

黑洞是非常致密、引力非常強(qiáng)大。以至于包括光線在內(nèi)的任何輻射都無(wú)法（從黑洞）逃離出去的天體。黑洞作為超強(qiáng)引力源，吸引塵埃和氣體環(huán)繞自己。黑洞的強(qiáng)大引力被認(rèn)為是星系申恒星環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力?？茖W(xué)家對(duì)黑洞形成原圜很不清楚。有一種推測(cè)是，比太陽(yáng)大10萬(wàn)倍的一團(tuán)氣云可能坍縮成一個(gè)種子黑洞。許多這樣的種子黑洞可以合并成質(zhì)量大得多的超大質(zhì)量黑洞。每個(gè)已知的超大質(zhì)量星系中心都存在超大質(zhì)量黑洞。另一種推測(cè)是，超大質(zhì)量黑洞可能源自一顆大約為100倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨恒星，該恒星在燃料耗盡并坍縮時(shí)形成黑洞。這些巨恒星死亡時(shí)也會(huì)經(jīng)歷超新：星階段，即在一場(chǎng)巨大爆發(fā)中把恒星外層物質(zhì)噴射到深空。

什么是事件視界

事件視界是指黑洞周圍沒(méi)有任何光線或其他輻射可以逃離的理論邊界。當(dāng)任何物質(zhì)過(guò)于靠近黑洞視界時(shí)，其原子都會(huì)被剝離，其中原子核消失在視界下方，而輕得多的電子則被困在黑洞極強(qiáng)的磁場(chǎng)中.并高速旋轉(zhuǎn)。這種圓周運(yùn)動(dòng)讓電子釋放出光子。黑洞附近物質(zhì)向外排放的也主要都是光子。

什么是射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡是指用于接收來(lái)自天空中天文無(wú)線電波源的無(wú)線電波的專業(yè)化天線和無(wú)線電接收器。射電望遠(yuǎn)鏡是射電天文學(xué)采用的主要觀測(cè)工具，用于研究由天體發(fā)射的電磁光譜中的無(wú)線電頻段：正如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為傳統(tǒng)光學(xué)天文學(xué)的主要觀測(cè)手段，研究來(lái)自天體的光譜中的可見(jiàn)光頻段。射電望遠(yuǎn)鏡基本上就是大型拋物面（碟形）天線。這種天線與人造衛(wèi)星和太空望遠(yuǎn)鏡上采用的跟蹤和通信天線相似。射電望遠(yuǎn)鏡可以單獨(dú)使用，也可以串連成天線陣。與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不同，射電望遠(yuǎn)鏡可不分晝夜全天候使用。由于行星、恒星、星云和星系等天文無(wú)線電源（射電源）都非常遙遠(yuǎn).它們發(fā)出的無(wú)線電波到達(dá)地球時(shí)已極度微弱，因此射電望遠(yuǎn)鏡需要很大的天線和極度敏感的接收器來(lái)采集足夠的射電能量以研究射電源頭。射電觀測(cè)最好遠(yuǎn)離人口中心，以避開(kāi)來(lái)自收音機(jī)、電視、雷達(dá)、機(jī)動(dòng)車及其他人造電器的電磁干擾。

來(lái)自太空的無(wú)線電波由美國(guó)貝爾電話公司（位于美國(guó)新澤西州）的一名工程師在1932年首次探查到，他的探測(cè)工具是用于研究無(wú)線電接收器噪聲的天線。第一部射電望遠(yuǎn)鏡是一部直徑9米的碟形天線，在1937年由一名美國(guó)無(wú)線電業(yè)余愛(ài)好者在位于美國(guó)伊利諾伊州的自家后院里建成。他進(jìn)行的巡天調(diào)查常常被認(rèn)為是射電天文學(xué)的開(kāi)端。