揭開(kāi)黑洞的神秘面紗

邱雨

2019年4月10日，是個(gè)將被栽入史冊(cè)的日子，在這一天，我們見(jiàn)證了人類歷史上第一張黑洞照片的誕生.至此.一個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)只存在于科學(xué)研究的公式和文學(xué)藝術(shù)作品的想象中的物體，終于被揭開(kāi)了神秘的面紗，

對(duì)黑洞研究的歷程

黑洞的研究經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程.

1666年.英國(guó)科學(xué)家牛頓提出萬(wàn)有引力定律，從此人類對(duì)物質(zhì)世界有了嶄新的認(rèn)識(shí)，也為對(duì)黑洞的研究提供了理論基礎(chǔ).

1783年，英國(guó)天文學(xué)家米歇爾提出，可能存在質(zhì)量比太陽(yáng)更大的恒星，質(zhì)量大到其逃逸速度超過(guò)光速.光都無(wú)法從這種恒星的引力中逃脫.并將其稱作“暗星”.

1795年.法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力理論計(jì)算出.如果物體的半徑被壓縮到足夠小.它的逃逸速度將超過(guò)光速.

1915年.愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論和四維時(shí)空幾何基礎(chǔ)上.提出真正“預(yù)見(jiàn)”黑洞的廣義相對(duì)論.顛覆了人類對(duì)時(shí)空本質(zhì)的認(rèn)知.廣義相對(duì)論中有很多重要的預(yù)言，在當(dāng)時(shí)都讓人難以置信.愛(ài)因斯坦列出了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，可以直接推導(dǎo)出某些大質(zhì)量恒星會(huì)終結(jié)為一個(gè)黑洞——時(shí)空中的某些區(qū)域發(fā)生極度的扭曲，以至于連光都無(wú)法逸出，但愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程在最初發(fā)布時(shí)只有近似解.20天后.一位名叫史瓦西的炮兵中尉在炮火連天的德軍東線陣地給出了這個(gè)方程的精確解，解決了這項(xiàng)世界級(jí)物理難題.

而后的幾十年內(nèi).我們所熟知的科學(xué)家霍金對(duì)這個(gè)解進(jìn)行了探索，他在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論基礎(chǔ)上.又引入了量子場(chǎng)論，通過(guò)量子場(chǎng)論的分析，霍金對(duì)黑洞的性質(zhì)有了更加詳細(xì)的描述.他提出了“黑洞是時(shí)空的扭曲者”的觀點(diǎn).

什么是黑洞

黑洞是在宇宙空間中存在的一種天體，它有三個(gè)重要特性——質(zhì)量足夠大.體積足夠小.光無(wú)法從中逃脫.

在本刊2019年第6期《看封面》欄目《恒星故事》一文中我們對(duì)恒星做了詳細(xì)介紹，在宇宙中，恒星并不能永恒存在，它也會(huì)面臨死亡的時(shí)刻.當(dāng)某些質(zhì)量是太陽(yáng)的幾倍到幾十倍的大質(zhì)量恒星由于燃燒殆盡面臨死亡時(shí)，恒星本身就會(huì)迅速向內(nèi)部塌陷，大質(zhì)量恒星在坍縮過(guò)程中，大量物質(zhì)開(kāi)始向中心匯聚，伴隨著坍縮過(guò)程的加劇，大量粒子被壓縮在一起，電子和質(zhì)子碰撞，就會(huì)發(fā)生爆炸.形成不帶電荷的中子，

如果這個(gè)恒星質(zhì)量不是特別大，那么至此它就徹底步入死亡，但如果這個(gè)恒星質(zhì)量特別大，向內(nèi)擠壓的過(guò)程持續(xù)下去，中子會(huì)被擠壓、變形，然后粉碎，變成目前我們所知道的最小物質(zhì)——夸克，這個(gè)過(guò)程繼續(xù)持續(xù)下去，死亡的恒星就會(huì)在質(zhì)量不變的基礎(chǔ)上.體積持續(xù)變小.當(dāng)恒星的體積坍縮到足夠小時(shí).黑洞就誕生了.

根據(jù)科學(xué)家推斷，一顆太陽(yáng)大小的恒星，如果坍縮成黑洞，大概只有一個(gè)乒乓球那么大.不過(guò)，由于太陽(yáng)的質(zhì)量太小，它最終無(wú)法變成黑洞.

黑洞與時(shí)空

黑洞最令人著迷的地方，就是它具有扭曲時(shí)空的能力，根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)理論.一個(gè)擁有大質(zhì)量的物體會(huì)造成周圍時(shí)空彎曲.黑洞就是這樣的物體.黑洞的外界有一個(gè)稱為“視界”的圓圈，任何物體（包括速度最快的光）一旦進(jìn)入視界范圍內(nèi)，就再也逃離不了黑洞，最終它的結(jié)局一定是撞到黑洞的中心點(diǎn)——“奇點(diǎn)”.假如一個(gè)物體勻速向黑洞中心移動(dòng)，外界觀察物體移動(dòng)的過(guò)程.就會(huì)發(fā)現(xiàn)物體移動(dòng)的速度越來(lái)越慢，最終當(dāng)物體接近“奇點(diǎn)”的時(shí)候.外界就會(huì)發(fā)現(xiàn)它靜止不動(dòng)了.即當(dāng)物體接近黑洞的時(shí)候，時(shí)間會(huì)變慢，這就是引力造成的時(shí)間變慢效應(yīng).

如果有幸能進(jìn)入黑洞內(nèi)部.將能體驗(yàn)到時(shí)空交換.黑洞之外（也包括我們目前所在的空間），時(shí)間是單向的，即我們只能隨著時(shí)間的流逝走向未來(lái).卻不能逆著時(shí)間的軌跡回到過(guò)去：但空間是雙向的，即我們可以向前運(yùn)動(dòng)，也可以往后運(yùn)動(dòng).但是進(jìn)入黑洞后，時(shí)空將發(fā)生互換.在這里，時(shí)間就變成雙向的，我們既可以走向未來(lái)，也可以回到過(guò)去;但空間是單向的，我們不能往后走，只能向“奇點(diǎn)”靠近.這種奇妙的景象是難以用語(yǔ)言文字確切描述的，

來(lái)之不易的黑漏照片

近百年來(lái)，科學(xué)家們一直努力搜尋黑洞的蹤影.但是它就像一個(gè)傳說(shuō)，人人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)卻未曾有人親眼看到過(guò)，黑洞是否真的存在，始終是個(gè)謎.直到2019年4月10日，人們終于捕捉到黑洞的影像.

為了完成這個(gè)目標(biāo).科學(xué)家們通過(guò)協(xié)調(diào)全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡.構(gòu)建了一個(gè)口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，向銀河系中心和位于星系M87中心的兩個(gè)黑洞目標(biāo)展開(kāi)觀測(cè)活動(dòng)，這就是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目.

給黑洞拍照的難度極高.需要獲取大量的樣本數(shù)據(jù).8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的位置隨著地球自轉(zhuǎn)而改變.給了科學(xué)家們從不同角度獲取樣本的機(jī)會(huì)，但僅靠這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，另外還需要特定的算法來(lái)生成圖片.去填滿未能獲取樣本的地方，最終模擬出黑洞圖片.為了保證8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能在最高的靈敏度和最大的空間分辨率條件下觀測(cè)這兩個(gè)黑洞.每年僅有10天處于符合的觀測(cè)時(shí)間段.在每一個(gè)觀測(cè)中心，科學(xué)家們都會(huì)利用原子鐘協(xié)調(diào)觀測(cè)時(shí)間.對(duì)每一個(gè)電磁波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行分別標(biāo)定和存盤(pán).以便觀測(cè)結(jié)束之后進(jìn)行整合.

黑洞照片“拍”起來(lái)難.“洗”出來(lái)更難.據(jù)悉.2017年4月份的5個(gè)觀測(cè)日中.8個(gè)天文臺(tái)站在5天觀測(cè)期間共記錄約3 500 TB數(shù)據(jù)，每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32 G/s.面對(duì)如此龐大的數(shù)據(jù)量，從拍攝完成，并完成所有圖片數(shù)據(jù)的分析、整合，到最終的發(fā)布，科學(xué)家們用了2年時(shí)間.其間他們不斷探索最合理的算法，同時(shí)為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要不同的團(tuán)隊(duì)分別計(jì)算.再找到統(tǒng)一的答案.

感謝200多位科學(xué)家的共同努力，才揭開(kāi)了黑洞的神秘面紗，讓我們看到了第一張黑洞照片.黑洞的順利成像.并非“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目的終點(diǎn).而是代表著一個(gè)新的起點(diǎn).我們完全有理由相信.在不久的將來(lái)，我們會(huì)看到更多更清晰的黑洞照片，進(jìn)而在宇宙探索的路上邁上新征程，

責(zé)任編輯 林洋