第一張銀河系黑洞照片

編譯 李威

北京時(shí)間2022年5月12日，天文學(xué)家宣布，他們已經(jīng)揭開(kāi)了我們銀河系中心的神秘面紗，捕捉到了居住在那兒的“溫和的巨人”的第一張照片。這個(gè)巨人其實(shí)是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它是一扇時(shí)空之門(mén)，在門(mén)的后面，相當(dāng)于400多萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量被送入了永恒，只留下它們的引力效應(yīng)粗暴地扭曲了附近的時(shí)空。

這張?jiān)谌A盛頓等6處地點(diǎn)同時(shí)召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)布的照片展示了一個(gè)由射電包裹宇宙空間而形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)亞利桑那大學(xué)天文學(xué)家費(fèi)里亞爾·厄澤爾（Feryal ?zel ）在華盛頓美國(guó)國(guó)家新聞俱樂(lè)部發(fā)布會(huì)上宣布發(fā)現(xiàn)了“第一張銀河系中心黑洞的直接照片”時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)爆發(fā)了歡呼與驚喜之聲。她還補(bǔ)充說(shuō)道：“照片里的黑洞看上去就像甜甜圈。”

厄澤爾博士是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成員，這個(gè)項(xiàng)目由來(lái)自13個(gè)機(jī)構(gòu)的300多名科學(xué)家組成。他們管理著一張仍在不斷增長(zhǎng)的全球望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，這張網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)能力等效于一臺(tái)如同地球這樣大的望遠(yuǎn)鏡。事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目拍攝到銀河系中心黑洞的相關(guān)論斷于2022年5月發(fā)表在期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（Astrophysical Journal Letters）上。

“20年前，我第一次知道這個(gè)黑洞，當(dāng)時(shí)就愛(ài)上了它，并且之后一直在研究它的相關(guān)性質(zhì)?！倍驖蔂柌┦空f(shuō)，“但在此之前，我們一直沒(méi)能直接拍攝到它的照片?！?/p>

2019年，這支團(tuán)隊(duì)還捕捉到了M87星系中心黑洞的照片。這張照片也是人類拍攝到的第一張黑洞照片，現(xiàn)在供奉在紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館里?！拔覀兘K于看到了這種‘不可見(jiàn)’天體?！惫?史密森天體物理研究中心天文學(xué)家謝潑德·多爾曼（Sheperd Doeleman）當(dāng)時(shí)說(shuō)。

天文學(xué)家認(rèn)為，黑洞照片以及相關(guān)研究成果，可以讓我們更好地認(rèn)識(shí)星系、星系演化，以及類星體的產(chǎn)生方式。類星體釋放的能量全宇宙都能觀測(cè)得到，最為關(guān)鍵的是，即便是我們銀河系這樣看似平靜的星系都能孕育這種蘊(yùn)含巨大能量的天體。

1971年，劍橋大學(xué)天文學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees）和同事唐納德·林登-貝爾（Donald Lynden-Bell，2018年逝世）在一篇論文中預(yù)言，超大質(zhì)量黑洞就是類星體的能量來(lái)源。最新的黑洞照片及相關(guān)成果無(wú)疑再次支持了這個(gè)結(jié)論。里斯博士稱這個(gè)新研究結(jié)果是“一項(xiàng)后端成就”，并且表示他“很喜歡相關(guān)計(jì)算機(jī)模型”。

厄澤爾博士稱，這張新照片與2019年照片的相似性證明了黑洞在之前那張照片中看起來(lái)像甜甜圈并非巧合。事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員，哈佛大學(xué)物理學(xué)家、科學(xué)史學(xué)家彼得·加里森（Peter Galison）在一次采訪中特別指出，M87中心的黑洞質(zhì)量相當(dāng)于銀河系中心黑洞的1 500倍。按照天文學(xué)和物理學(xué)中的普遍情況，當(dāng)某個(gè)量出現(xiàn)10倍以上的變化時(shí)，一切相關(guān)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化?！斑@兩個(gè)黑洞質(zhì)量差距如此巨大，外觀仍如此類似，的確令人震驚?！奔永锷┦空f(shuō)。

同樣來(lái)自哈佛-史密森天體物理研究中心的天文學(xué)家、事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員邁克爾·約翰遜（Michael Johnson）在新黑洞照片的發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“這個(gè)結(jié)果也再次有力支持了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論?！?/p>

愛(ài)因斯坦的噩夢(mèng)

廣義相對(duì)論認(rèn)為，引力的本質(zhì)就是物質(zhì)與能量扭曲時(shí)間和空間產(chǎn)生的效應(yīng)——就像你躺到床上后，床墊向下凹陷差不多——而黑洞就是這個(gè)理論意想不到的推演結(jié)果。

愛(ài)因斯坦的這個(gè)理論催生了全新的宇宙概念——時(shí)空可以顫抖、扭曲、撕裂、膨脹、旋轉(zhuǎn)，甚至永久消失在黑洞這種引力強(qiáng)到連光都無(wú)法逃脫的天體的腹中。

愛(ài)因斯坦本人也不愿接受黑洞的存在，但我們現(xiàn)在知道，宇宙里到處都是黑洞。其中有許多都是恒星走到生命末期向自身內(nèi)部坍縮并進(jìn)一步演化后留下的遺跡。

不過(guò)，還有更意外的情況?，F(xiàn)在看來(lái)，幾乎每個(gè)星系中心（我們的銀河系也不例外）都藏匿著一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于幾百萬(wàn)乃至幾十億個(gè)太陽(yáng)的黑洞。到目前為止，天文學(xué)家還不清楚這些超大質(zhì)量黑洞究竟是怎么形成的。

加州大學(xué)洛杉磯分校天文學(xué)家安德莉亞·蓋茲

有意思的是，雖然黑洞連光都能吞噬，但它們卻是宇宙中最為明亮的天體。各種物質(zhì)——?dú)怏w、塵埃、恒星碎片——在墜向黑洞時(shí)都會(huì)在稠密的電磁場(chǎng)漩渦中被加熱到幾百萬(wàn)度的高溫。其中一部分物質(zhì)會(huì)徹底落到黑洞內(nèi)部，但還有一部分會(huì)在巨大的壓力和磁場(chǎng)作用下被噴射出來(lái)。

這樣的煙火表演就是類星體的成因，它們可以比正常星系亮幾千倍。20世紀(jì)60年代，類星體的發(fā)現(xiàn)促使天文學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)真思考黑洞是否真的存在的問(wèn)題。

如此龐大的虛無(wú)之物究竟是怎么產(chǎn)生的？這仍然是個(gè)謎。有沒(méi)有可能是大爆炸時(shí)期原初能量積聚的稠密時(shí)空褶皺？有沒(méi)有可能是宇宙誕生之初的失控恒星，它們不但自身發(fā)生了坍縮，而且還持續(xù)吸收了附近的能量與物質(zhì)？

從1974年起，我們就知道銀河系中心存在一個(gè)叫作人馬座A*的微弱射電噪聲源。

馬克斯·普朗克地外物理研究所天文學(xué)家萊茵哈德·根策爾

包括加州大學(xué)洛杉磯分校安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）和馬克斯·普朗克地外物理研究所萊茵哈德·根策爾（Reinhard Genzel）在內(nèi)的諸多天文學(xué)家通過(guò)跟蹤圍繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)的恒星和氣體云軌道，計(jì)算得到結(jié)論：那里存在一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于414萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的天體，且其體積不過(guò)只是水星繞日軌道那么大。根策爾博士和蓋茲博士也憑借這項(xiàng)成果與羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

人馬座A*體積那么小，但質(zhì)量又那么大，除了黑洞之外，還能是什么呢？

追逐陰影

然而，證實(shí)人馬座A*就是黑洞完全就是另一碼事了。眼見(jiàn)才為實(shí)。

1967年，物理學(xué)家詹姆斯·巴丁（James Bardeen）提出，黑洞也并不是完全不可見(jiàn)，它可以以射電薄霧包裹的幽靈般的黑色圓圈的形式呈現(xiàn)在觀測(cè)者面前。

黑洞的引力會(huì)扭曲并放大自身的圖像，就人馬座A*的情況來(lái)說(shuō)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直徑大約8 000萬(wàn)千米的陰影。根據(jù)華盛頓大學(xué)埃里克·阿高爾（Eric Agol）、德國(guó)馬克斯·普朗克射電天文研究所海諾·法爾克（Heino Falcke）和亞利桑那大學(xué)福爾維奧·梅里亞（Fulvio Melia）在2000年的計(jì)算結(jié)果，從地球上觀測(cè)這個(gè)陰影，就像觀測(cè)月球上的一個(gè)橙子那么大。

自那之后，天文學(xué)家就一直在努力提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，以分辨這個(gè)橙子大小的陰影。問(wèn)題在于，星際空間中的離子化電子和質(zhì)子會(huì)散射射電波，形成一片足以模糊波源細(xì)節(jié)的光暈?！澳歉杏X(jué)就像是透過(guò)淋浴房的玻璃看外面?！倍酄柭┦孔罱邮懿稍L時(shí)說(shuō)。

為了更深入地觀測(cè)黑洞陰影，研究人員就需要把射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段調(diào)到更短的波長(zhǎng)上，以穿透這層迷霧。歸根到底，他們需要一架更大的望遠(yuǎn)鏡。

2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)收獲了第一次重大勝利，也即拍到了這張M87中心黑洞的照片

2009年，多爾曼博士及其同事組建了事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。所謂“視界”就是指黑洞附近的一種邊界，一旦越過(guò)了這條邊界，就再也不可能掙脫黑洞的引力束縛返回了。時(shí)至今日，全球已經(jīng)有11臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡參與了這個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。

2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)收獲了第一次重大勝利，也即拍到了M87中心黑洞的照片。2021年，項(xiàng)目組成員進(jìn)一步提煉數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞周圍還有磁場(chǎng)環(huán)繞，看上去就像一根根細(xì)長(zhǎng)步槍槍管，將物質(zhì)和能量泵入虛空中。

2017年，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員為拍攝M87照片開(kāi)展了一輪觀測(cè)。這次觀測(cè)也記錄了人馬座A*的數(shù)據(jù)，但用了更多的望遠(yuǎn)鏡陣列——8個(gè)，而非7個(gè)——因?yàn)檫@個(gè)團(tuán)隊(duì)想要在這次觀測(cè)中納入一臺(tái)看不到M87的南極望遠(yuǎn)鏡。

M87中心的黑洞向全宇宙播送著射電“信號(hào)”。相較之下，我們銀河系中心的這個(gè)黑洞確實(shí)只能算是一位“溫和的巨人”?！叭绻覀冦y河系中心的這個(gè)黑洞是一個(gè)人，”約翰遜博士這樣評(píng)價(jià)人馬座A*，“那么，與他的同類相比較，他的食量大概就相當(dāng)于每幾百萬(wàn)年才吃一粒米?！?/p>

人馬座A*黑洞同樣在貪婪地吞噬一切，也同樣明亮，但“效率低下”。約翰遜博士補(bǔ)充說(shuō)：“它的質(zhì)量雖然是太陽(yáng)的400多萬(wàn)倍，但釋放的能量卻只有太陽(yáng)的幾百倍。要不是因?yàn)樗驮谖覀冏约业你y河系里，壓根觀測(cè)不到它?！?/p>

人馬座A*黑洞之所以比M87中心黑洞更難觀測(cè)，還有另外一個(gè)原因：由于人馬座A*黑洞的質(zhì)量和尺寸都不到M87中心黑洞的千分之一，前者的演化速度要快一千多倍，于是，它的外觀差不多每5分鐘就會(huì)發(fā)生變化。厄澤爾博士稱“它一直在滋滋作響”。

相較之下，M87中心的黑洞在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)星期的觀測(cè)周期中都幾乎沒(méi)有什么變化?！熬拖穹鹱嬉粯?，只是端坐在那兒。”多爾曼說(shuō)。

“因此，觀測(cè)人馬座A*的時(shí)候，哪怕時(shí)間只是一個(gè)晚上，在我們收集數(shù)據(jù)的時(shí)候，它也在不斷變化。于是，就算你鏡頭蓋一刻都沒(méi)合上，最后拍到的也只是一團(tuán)模糊?！?/p>

發(fā)布會(huì)上，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員、加州理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)家凱瑟琳·布曼（Katherine Bouman）稱，從高達(dá)3.5拍字節(jié)的海量觀測(cè)數(shù)據(jù)中篩選、制作人馬座A*照片，那感覺(jué)就像是“聽(tīng)一首許多琴鍵缺失的鋼琴?gòu)椬嗟那印薄?/p>

事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的望遠(yuǎn)鏡成員借助一種叫作甚長(zhǎng)基線干涉的技術(shù)一一配對(duì)、互相結(jié)合，就像人群中的所有個(gè)體都互相握手致意一樣。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的望遠(yuǎn)鏡越多，“握手”的次數(shù)就越多，可以互相比對(duì)的數(shù)據(jù)就越多。接著，計(jì)算機(jī)算法就可以介入，補(bǔ)充缺失的數(shù)據(jù)，并且模擬黑洞可能的結(jié)構(gòu)。

哈佛-史密森天體物理研究中心天文學(xué)家謝潑德·多爾曼（右）和同事在操作位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡，照片攝于2015年。大型毫米波望遠(yuǎn)鏡是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成員之一

大部分模擬結(jié)果都是一個(gè)水星繞日軌道大小的環(huán)，與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論和根策爾博士以及蓋茲博士的觀測(cè)結(jié)果相符。

“我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了100多年前的預(yù)言，著實(shí)令人驚奇，”事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員、新澤西普林斯頓高等研究院天體物理學(xué)家利亞·梅德羅斯（Lia Medeiros）說(shuō)。

然而，這個(gè)成果也并非盡善盡美。按照計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，人馬座A*這個(gè)黑洞應(yīng)該比觀測(cè)結(jié)果更“喧鬧”、更“活躍”一些?！翱隙ㄈ笔Я艘恍〇|西?！毖芯亢诙春托窍敌纬傻囊敶髮W(xué)天文學(xué)家普里亞·納塔拉詹（Priya Natarajan）說(shuō)。

多爾曼的下一個(gè)目標(biāo)是繼續(xù)擴(kuò)大事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，使其囊括更多射電望遠(yuǎn)鏡陣列，形成足夠大的天區(qū)覆蓋范圍，以便獲取一段銀河系中心黑洞的影片。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，最大的挑戰(zhàn)是必須根據(jù)在黑洞周圍運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)描繪出黑洞的隱藏結(jié)構(gòu)。

諾貝爾獎(jiǎng)得主、加州理工學(xué)院研究黑洞的專家基普·索恩（Kip Thorne）說(shuō)，他正熱切地期盼看到描繪黑洞周圍氣體的詳實(shí)影片：“具有重大意義的新理論經(jīng)常在這樣的研究中出現(xiàn)，有時(shí)還會(huì)有些意想不到的驚喜。”

哥倫比亞大學(xué)巴納德學(xué)院引力理論專家揚(yáng)娜·列文（Janna Levin，她并不是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成員）也同樣認(rèn)為這樣的研究成果意義重大且信息量豐富。她半開(kāi)玩笑地說(shuō)：“我可還沒(méi)對(duì)黑洞照片感到厭煩?！?/p>

資料來(lái)源 The New York Times