人類首次“看到”黑洞正面照

首張黑洞照片。 事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織供圖

核心閱讀

黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢(shì)力范圍，該勢(shì)力范圍稱作事件視界。

四大洲、8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，讓黑洞首次有了一張“正面照”。

近年來，中國(guó)參與國(guó)際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創(chuàng)新養(yǎng)分的同時(shí)，也不斷貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。

大量天文觀測(cè)數(shù)據(jù)已證實(shí)，浩瀚的宇宙當(dāng)中，無數(shù)的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人類卻從未直接“看”到過黑洞真容。

2017年4月5日到14日之間，來自全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家們啟動(dòng)了一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測(cè)計(jì)劃。他們將分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。最終，科學(xué)家們成功拍攝到了黑洞的第一張“照片”。北京時(shí)間4月10日21時(shí)，這張“大片”在美國(guó)華盛頓、中國(guó)上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時(shí)發(fā)布。

4年前，兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)被科學(xué)家“捕捉”到，成為科學(xué)界的一個(gè)里程碑事件，人類開始“聽”到黑洞。這一次，人類終于眼見為實(shí)。

有許多間接證據(jù)證明黑洞的存在，但科學(xué)家從未直接“看”到

黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強(qiáng)引力使得光也無法逃脫它的勢(shì)力范圍，該勢(shì)力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

黑洞怎么形成的？像宇宙萬物一樣，恒星也會(huì)衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時(shí)，內(nèi)核會(huì)急劇塌縮，所有物質(zhì)快速向著一個(gè)點(diǎn)坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點(diǎn)，并形成一個(gè)強(qiáng)大的力場(chǎng)漩渦，扭曲周圍時(shí)空，成為黑洞。

根據(jù)質(zhì)量，天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍到上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個(gè)恒星量級(jí)的黑洞。然而，因?yàn)楹诙醋陨聿话l(fā)射和反射電磁波，儀器和肉眼都無法直接觀測(cè)到它。

既然無法“看見”，怎么知道它存在呢？天文學(xué)家們主要是通過各種間接的證據(jù)。一是恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周圍的恒星、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，可以通過觀測(cè)這種影響來確認(rèn)黑洞的存在。二是根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)，也就是“吃東西”時(shí)發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長(zhǎng)的過程“看”見黑洞。到目前為止，通過間接的觀測(cè)，科學(xué)家們?cè)阢y河系發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)了20多個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，但可能有上千萬個(gè)恒星級(jí)黑洞候選體。

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員沈志強(qiáng)說：“宇宙每個(gè)星系中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆，它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400多萬倍。除此之外，銀河系還有很多恒星級(jí)黑洞。”

黑洞和宇宙的誕生和演化有何關(guān)系？又和我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系？為了更準(zhǔn)確清晰地解答這些問題，科學(xué)家們想直接“看”到黑洞。

口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，靈敏度和分辨本領(lǐng)前所未有

廣義相對(duì)論預(yù)言，雖然黑洞本身不發(fā)光，但因?yàn)楹诙吹拇嬖?，周圍時(shí)空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此氣體被加熱至數(shù)十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森說：“對(duì)黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據(jù)。這就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而保證看得到和看得清。”

但滿足上述所有條件，望遠(yuǎn)鏡的口徑需要像地球大小。然而，目前地球上已有的單個(gè)望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。怎么解決？

一個(gè)難以想象的大科學(xué)計(jì)劃誕生了：用分布全球的8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，組成一個(gè)口徑如地球直徑大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。條件苛刻的觀測(cè)點(diǎn)，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點(diǎn)等。

全球超過200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）這一重大國(guó)際合作計(jì)劃，決定利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)。沈志強(qiáng)說：“就是利用多個(gè)位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟?！?/p>

被拍照的黑洞質(zhì)量超大，但因距離遙遠(yuǎn)，就像在地球上看放在月球表面的橙子

在組建大型虛擬望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)，科學(xué)家們也在尋找著合適的拍攝目標(biāo)。

黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)非常小。在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個(gè)看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標(biāo)。

科學(xué)家們甄選之后，決定將近鄰的兩個(gè)黑洞作為主要目標(biāo)：一個(gè)是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個(gè)則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大質(zhì)量黑洞。

沈志強(qiáng)說：“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大。我們選定的這兩個(gè)黑洞質(zhì)量都超級(jí)大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優(yōu)的成像候選體?！?/p>

盡管被選擇的兩個(gè)黑洞已是最優(yōu)成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個(gè)太陽，所對(duì)應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，相當(dāng)于17個(gè)太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2.5萬光年之遙?！斑@就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那么小，就像我們站在地球上去觀看一個(gè)放在月球表面的橙子。”沈志強(qiáng)說。

M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大，達(dá)到了60億個(gè)太陽質(zhì)量。盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的事件視界對(duì)科學(xué)家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大一點(diǎn)。

要想看清楚兩個(gè)黑洞事件視界的細(xì)節(jié)，事件視界望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。要多高呢？路如森說：“比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上?！钡矂e以為，只要虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。如同觀看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，在合適的波段進(jìn)行觀測(cè)至關(guān)重要。

此前的一系列研究表明，觀測(cè)黑洞事件視界“陰影”的最佳波段約為1毫米。路如森說，這是因?yàn)闅怏w在這個(gè)波段的輻射最明亮，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑的大小。

為了增加空間分辨率，以看清更為細(xì)小的區(qū)域，科學(xué)家們?cè)诖舜芜M(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。沈志強(qiáng)說：“這樣設(shè)置是為了要保證所有8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。”

每年只有約10天觀測(cè)期，照片問世前經(jīng)過超級(jí)計(jì)算機(jī)長(zhǎng)達(dá)兩年的“沖洗”

四大洲8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)組成的虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，讓黑洞首次有了一張“正面照”。

留給科學(xué)家們的觀測(cè)窗口期非常短暫，每年只有大約10天時(shí)間。除了觀測(cè)時(shí)間上的限制，拍攝對(duì)天氣條件要求也極為苛刻。因?yàn)榇髿庵械乃畬?duì)這一觀測(cè)波段的影響極大，會(huì)影響射電波的強(qiáng)度，這意味著降水會(huì)干擾觀測(cè)，要想事件視界望遠(yuǎn)鏡順利觀測(cè)，需要所有望遠(yuǎn)鏡所在地的天氣情況都非常好。按照要求，計(jì)劃選擇的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡所在之處均海拔較高，降雨量極少，全部晴天的概率非常高。

此外，要成像成功還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時(shí)間上完全同步。北京時(shí)間2017年4月4日，事件視界望遠(yuǎn)鏡啟動(dòng)拍攝，將視線投向了宇宙。最后的觀測(cè)結(jié)束于美國(guó)東部時(shí)間4月11日。觀測(cè)期間，每一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自于目標(biāo)黑洞附近的射電波信號(hào)，這些數(shù)據(jù)此后被集成用于獲得事件視界的圖像。

沈志強(qiáng)說：“為了確保信號(hào)的穩(wěn)定性，事件視界望遠(yuǎn)鏡利用原子鐘來確保望遠(yuǎn)鏡收集并記錄信號(hào)在時(shí)間上同步?！?/p>

拍照難，“洗照片”更不容易。射電望遠(yuǎn)鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息，用數(shù)據(jù)向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子。在觀測(cè)結(jié)束之后，各個(gè)站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)將被匯集到兩個(gè)數(shù)據(jù)中心（分別位于美國(guó)麻省的Haystack天文臺(tái)和德國(guó)波恩的馬普射電所）。在那里，超級(jí)計(jì)算機(jī)通過回放硬盤記錄的數(shù)據(jù)，在補(bǔ)償無線電波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差后將所有數(shù)據(jù)集成并進(jìn)行校準(zhǔn)分析，從而產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于黑洞高分辨率影像。此后，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)兩年的“沖洗”，今年4月10日，人類歷史上首張黑洞照片終于問世。

近年來，中國(guó)參與國(guó)際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創(chuàng)新養(yǎng)分的同時(shí)，也不斷貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。

吳月輝