銀河系中心黑洞照片透露哪些宇宙奧秘

文/王彧辰 田茗羽 張亦松

銀河系中心黑洞（人馬座 A＊）照片

2022年5月12日，事件視界望 遠 鏡（Event Horizon Telescope，EHT）合作組發(fā)布了人類拍攝的首張銀河系中心（簡稱“銀心”）黑洞人馬座 A＊的照片。這一由來自世界各地80個研究機構的300多個研究者合作完成的成果，首次把這個距離我們2.7萬光年的超大質量黑洞展現(xiàn)在世界面前。

那么，究竟什么是黑洞？這張寶貴的黑洞照片又是怎樣拍到的？這張照片又能告訴我們哪些宇宙的秘密？

什么是黑洞

300多年前，牛頓提出宇宙中任何兩個物體都會相互吸引，這就是所謂的“萬有引力”。正是萬有引力把我們束縛在地球上，讓我們無法輕易地逃離地球——如果你試圖跳起來，那多半（如果你不是超人的話）會被地球的引力吸回地面。只有達到第二宇宙速度11.2 千米/秒，才有機會徹底擺脫地球的吸引。質量越大、半徑越小的天體，從其表面逃逸所需的速度越大。

在萬有引力提出近100年后的1783年，約翰·米歇爾想到：如果天體表面的引力強到連光都會被拽回去而無法逃脫，那么這個天體發(fā)的光就無法被我們看到，這樣的天體在當時被稱為“暗星”。例如，如果我們的太陽半徑被壓縮到3千米以下，光就再也無法逃逸太陽的表面；而對于更輕的地球，它成為“暗星”的半徑只有約1厘米。

又過了100多年時間，愛因斯坦在1905年和1915年先后發(fā)表了狹義和廣義相對論。根據(jù)相對論，宇宙中沒有什么能跑得比光還快。如果在天體附近的引力強到連光也無法逃脫，它就成為了一個只進不出的“怪獸”——任何物體一旦進入了它的勢力范圍（光也無法逃脫的邊界，被稱作“事件視界”），就別想再“全身而退”。這種天體——準確地說是這個引力強到連光也無法逃脫的時空區(qū)域——就是現(xiàn)在人們所說的“黑洞”。巧合的是，如果黑洞不帶電且不旋轉，廣義相對論算出的事件視界大小恰好和前面牛頓引力（對于相同質量的天體）算出變成暗星的半徑相同。

怎樣探測黑洞

藝術家繪制的類星體。類星體是宇宙中一種非常明亮的天體，一般認為它們輻射的能量來自于星系中心快速吞食的超大質量黑洞

黑洞是理論中存在的概念，但現(xiàn)實世界中真的有黑洞嗎？“耳聽為虛，眼見為實”，為了找到答案，我們必須觀測到黑洞——至少是黑洞可能存在的跡象。

黑洞事件視界（圖左側）周圍物質發(fā)的光在引力作用下發(fā)生彎折，最終傳播到遠處（圖右側）被我們觀測到。根據(jù)計算，我們能看到一個亮度較高的環(huán)形區(qū)域，而在中間亮度較低，形成一個“陰影”，如圖右側所示。

黑洞周圍的氣體薄盤發(fā)光被引力彎折，使我們看到這樣的圖像（計算機模擬）

用紅外望遠鏡拍攝的銀河系中心，位于圖中左上角的明亮區(qū)域

雖然連光都不能從黑洞的事件視界逃出來，但這不代表黑洞就不會產生任何我們能看到的輻射。如果黑洞正在吞食物質，這些物質會在黑洞周圍高速旋轉并相互摩擦生熱，并最終把大量能量通過電磁波輻射出來。而在事件視界附近，黑洞看上去就是在很多發(fā)光的物質中間的一個黑色的“陰影”，就像EHT發(fā)布的圖片一樣?？磥?，貪吃的黑洞不僅會暴露自己，還是宇宙中高效的“燈泡”。事實上，每1千克物質在落入黑洞過程中能輻射出十萬億千焦的能量，這個效率是氫核聚變的十幾倍，是煤的數(shù)億倍！

當然，我們也可以通過引力的辦法尋找黑洞。例如，黑洞會吸引周圍的物質圍繞其運動，從物質的運動中我們可能反推出黑洞的存在。賴因哈德·根策爾 (Reinhard Genzel)和安德烈婭·蓋茲 (Andrea Ghez)通過追蹤銀河系中心附近的恒星運動，最終確定銀心存在一個質量為400萬倍太陽質量的超大質量致密天體(一般認為這個“致密天體”就是黑洞，但諾貝爾獎為嚴格起見將其稱為致密天體。)“人馬座 A＊”，他們也因此獲得了2020年的諾貝爾物理學獎。另外，當黑洞發(fā)生并合（互相碰撞并合二為一）時，還會產生較強的引力波，據(jù)此也可以確定黑洞的存在。自2015年至今，LIGO/Virgo/KAGRA合作組已經探測到了近百次黑洞或中子星并合產生的引力波事件。

什么，你還想直接看看黑洞？不好意思，拍攝黑洞的照片可不是一件容易的事情，原因很簡單——黑洞看上去實在太小了！這次EHT拍攝的銀河系中心黑洞距地球約2.67萬光年，相當于25億億千米；而3年前的第一張黑洞照片所拍攝的M87星系中心黑洞，距離我們竟有5000萬光年之遠。銀河系中心黑洞的半徑只有1000多萬千米，這意味著在地球上看到的銀河系中心黑洞的大小，和從地球看距離我們38萬千米的月球上的一個甜甜圈的大小差不多。沒有“千里眼”，是看不清楚黑洞和周圍的氣體的。

“千里眼”是怎樣煉成的

當觀測波長一定時，望遠鏡的口徑越大，得到的圖像越清晰，也就是分辨率越高。但對于距離我們如此遙遠的黑洞，即使用世界上最大口徑的望遠鏡，仍然不足以看清它。那怎么辦呢？

銀河系中心恒星運動軌跡

甚長基線干涉（VLBI）技術示意圖

天文學家可以把多個望遠鏡用“干涉”的技術聯(lián)合起來，把它們變成一臺高分辨率的大型“虛擬望遠鏡”。實際上，天體不同位置發(fā)射的電磁波，就像在池塘中不同位置戲水的鴨子們產生的漣漪——鴨子們各自的波紋先后到達宇宙各處，疊加出復雜的波形。而天文學家們只需用多個望遠鏡同時觀測同一個目標，把每個望遠鏡各自收到的波形特征通過計算機處理，就可以反推出天上每個地方的“鴨子”發(fā)射的電磁波強度，進而重建出更清晰的圖像。

2017年參與事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）觀測的望遠鏡

把望遠鏡聯(lián)合起來組成的“虛擬望遠鏡”，其分辨率相當于一個口徑有望遠鏡間距那么大的巨型望遠鏡。而甚長基線干涉（very long baseline interferometry，VLBI）技術則是把這一原理用到極致——把距離非常遙遠的望遠鏡結合起來，組成超大的“虛擬望遠鏡”！

地球大小的“望遠鏡”——事件視界望遠鏡

在地面上的望遠鏡，最遠的距離就是整個地球的半徑。把世界各地的望遠鏡用甚長基線干涉（VLBI）技術聯(lián)合起來，就形成了一個地球這么大的“虛擬望遠鏡”！經過計算，至少要用地球大小的“望遠鏡”觀測1.3 毫米（230 GHz）的電磁波，才能看清楚M87中心和銀河系中心的黑洞。早在1990年前后，人們就開始嘗試在1.3 毫米波段進行VLBI觀測；經過數(shù)十年的發(fā)展，2008年天文學家們已經能夠探測到銀河系中心的黑洞的事件視界尺度結構。在這些成果的基礎上，“事件視界望遠鏡”也就應運而生。

事件視界望遠鏡（EHT）是一個國際合作項目，它包含多個分布在世界各地的望遠鏡，目前也陸續(xù)有新望遠鏡加入。其中參與拍攝本次銀河系中心黑洞照片（人馬座 A＊）的望遠鏡有：位于南極洲的南極望遠鏡（SPT），位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）和阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（APEX），位于西班牙的30米毫米波望遠鏡（IRAM 30-M Telescope），位于美國夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（JCMT）和亞毫米波陣列望遠鏡（SMA），位于墨西哥的大型毫米波望遠鏡（LMT）和位于美國亞利桑那的亞毫米波望遠鏡（SMT）。

黑洞照片：觀測五天，奮斗五年

實際上，事件視界望遠鏡（EHT）合作組對銀河系中心的黑洞（人馬座 A＊）的觀測是在2017年4月5、6、7、10、11日進行的，其中5、6、10、11日還對室女座星系團中心的橢圓星系——M87中心的黑洞進行了觀測。接下來的時間里，EHT團隊一直在做數(shù)據(jù)的后期處理和分析工作。2019年4月，EHT發(fā)布了M87中心黑洞的照片，而離我們近得多的人馬座 A＊的照片直到現(xiàn)在才處理完成并發(fā)布。難道科學家們是拖延大師？不不不，得到黑洞的圖片可沒那么簡單。

選擇合理的圖像“腦補”結果

雖然觀測只進行了短短的幾天，但EHT產生了PB量級（也就是上千TB）的原始數(shù)據(jù)——這差不多相當于數(shù)百萬部電影，要數(shù)百年才能看完！從這么大的數(shù)據(jù)量中得到只有KB大小的照片是很復雜的工作：各個望遠鏡的數(shù)據(jù)要存在硬盤中空運到一起進行處理；天文學家們要把數(shù)據(jù)組合起來，找到數(shù)據(jù)之間的關系；盡可能改正和排除地球大氣、望遠鏡設備等對信號造成的影響和干擾，提取出微弱的信號；根據(jù)得到的信號結果，復原出黑洞的圖像。

上圖用上千張可能的圖像做平均得到的銀河系中心黑洞圖片；下圖：把可能的圖像按特征分成四組，每組的平均圖像

雖然觀測獲得的數(shù)據(jù)量已十分驚人，但這并不代表我們能輕松地得到黑洞的圖片。畢竟我們用的不是一個真正達到地球大小的巨型望遠鏡，而是地球上為數(shù)不多幾個位置的望遠鏡組成的“虛擬望遠鏡”——這意味著我們仍然只獲取了關于黑洞照片的一部分線索。用EHT看黑洞照片，就好比在聽一段缺失了很多音符的音樂。只憑這一部分信息還能還原出完整的照片嗎？實際上，只要我們聽到了這個音樂中足夠多的音符時，我們就可以大致“腦補”出這首曲子的旋律。類似地，天文學家們正是用各種成圖算法，用計算機“腦補”出了黑洞圖像的各種可能形態(tài)，選擇其中看上去合理的圖片，最終重建出黑洞的圖像。

室女座超星系團中心的橢圓星系M87，其中心黑洞是上一張黑洞照片的目標

除此之外，用EHT拍攝人馬座 A＊照片還有更多其他的挑戰(zhàn)。

首先，在我們和人馬座 A＊之間存在著大量由氣體和塵埃組成的星際介質。這些星際介質就像一層薄霧，讓圖像變得更模糊、更大，還可能產生一些圖像的子結構。這都使得數(shù)據(jù)處理變得更復雜。

而且，人馬座 A＊的圖像還在快速地變化，這也使得給它拍照比給M87中心黑洞拍照困難得多。M87中心黑洞的質量是人馬座 A＊的近千倍，而黑洞的視界半徑與其質量成正比，這意味著人馬座 A＊的半徑比M87中心黑洞小得多。因此，盡管M87中心黑洞和人馬座 A＊周圍的氣體都在以接近光速的極高速度繞黑洞旋轉，但在M87中心黑洞附近的氣體需要好幾天才能環(huán)繞一周，而在人馬座 A＊附近的氣體則只需要幾分鐘。因而，在給人馬座 A＊拍照的時間段內，它周圍的氣體亮度與形狀都在不斷地改變著：想拍人馬座 A＊，就像要把一只不停追著自己尾巴轉圈的貓貓拍攝清楚。

有這么多挑戰(zhàn)，也難怪EHT合作組織在拍完5年后才完成這兩個黑洞的照片了。

窺斑知豹：照片能告訴我們什么

現(xiàn)在照片有了，它也進一步證實了銀河系中心確實存在一個黑洞——但天文學家們不會滿足于“眼見為實”。大家想挖出照片背后的藏著的秘密：這張黑洞的圖片都能告訴我們什么呢？黑洞的這種“長相”究竟反映了和黑洞相關的那些物理信息？

為了理解這張黑洞圖片隱藏的物理信息，天文學家們需要用計算機模擬不同條件下產生的不同模擬圖片，再比較確定哪些條件下的模擬圖片和實際圖片更像。在5年的時間里，EHT合作組的成員們用超級計算機運行了大量的“廣義相對論磁流體動力學”（GRMHD）模擬，構建了前所未有的大型黑洞模擬圖片庫。這個圖片庫包含在不同參數(shù)下產生的數(shù)百萬張黑洞圖片，和其他相關數(shù)據(jù)加在一起，一共占用了50 TB的存儲空間！天文學家們把拍到的黑洞照片和這些模擬圖片進行比對，得到了不少關于銀河系中心黑洞的信息，比如我們的視線方向與黑洞自轉軸的夾角似乎很小——就像是在俯視一個旋轉的陀螺。

更激動人心的是，黑洞的照片給我們提供了另一種檢驗愛因斯坦廣義相對論的方式。根據(jù)廣義相對論，在黑洞附近的氣體發(fā)出的光會在黑洞的引力作用下偏折，最終形成我們所看到的黑洞“陰影”圖片。廣義相對論預言，這個“陰影”大致是圓形的，而有些其他的引力理論預言了略微不同的形狀。把觀測到的圖片和理論預言的形狀相比較，就可以檢驗引力理論的正確性。

除此之外，拍攝黑洞的照片還有助于我們理解許多尚未完全解決的問題，例如：黑洞是怎樣有效吞食氣體而長大的？為什么我們星系的黑洞（吞食的物質）不像有些黑洞一樣發(fā)出極強的輻射？天文學家們已經開始使用這些新的觀測數(shù)據(jù)，來驗證在超大質量黑洞周圍關于氣體運動、電磁波傳播的模型。這些尚未完全理解的過程，很可能是研究星系形成與演化的關鍵問題。而現(xiàn)在我們已經有了兩張黑洞的照片，且它們的質量差距較為懸殊（M87中心黑洞質量約為人馬座 A＊的1500倍），這也有助于我們對黑洞附近氣體在極端引力條件下的運動問題進行對比研究。

模擬黑洞圖片庫

未來已來：前景與展望

銀河系中心黑洞人馬座 A＊為我們提供了一個獨特的天體物理和廣義相對論實驗室。這張照片只是一個開始：未來，科學家們還將研究它的磁場和結構變化等信息。同時，EHT自2017年至今已用更多的望遠鏡獲取了更多的觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)終將幫我們獲得更好的黑洞圖像，甚至是黑洞附近氣體運動的視頻。

在不久以前，黑洞的“陰影”圖片還只停留在人們的想象和模擬中；而如今，我們已經擁有兩張黑洞的照片，并開始用它們探索宇宙的奧秘。未來還會有哪些激動人心的進展？讓我們拭目以待！

M87星系中心黑洞偏振圖，曲線標出了電磁波的“偏振”性質，這能反映黑洞周圍的磁場特征。未來也將用類似方法研究人馬座 A＊周圍的磁場