黑洞照片是怎么拍成的？ 中國參與者解密

陳冰

揭開“黑洞”神秘面紗的那一刻，中國科學(xué)院上海天文臺研究員、ETH國際合作成員路如森激動得有些哽咽?！爱?dāng)你想象中的東西第一次真實地出現(xiàn)在眼前時，真有一種美夢成真的感覺?！彼诎l(fā)布會后如是說。

智利的阿塔卡馬大型毫米波陣。

仰望星空，遙遠(yuǎn)的“黑洞”從未像今天這樣觸手可及——世界各國科學(xué)家聯(lián)手“捕獲”黑洞影像，并以一種“天涯共此時”的奇妙方式聯(lián)袂公布，愛因斯坦廣義相對論最后一塊缺失的拼圖被找到了！

從觀測到發(fā)布，全球200多位科學(xué)家歷時兩年才“沖洗”出這張“高糊”的照片，人們不禁要問，這張“興師動眾”的照片究竟是怎么拍出來的？已經(jīng)參與此項目近8年的路如森，作為親歷者，向《新民周刊》揭開了“黑洞”成像的不凡歷程。

看不見的黑洞怎么“看”？

一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，將時間和空間結(jié)合為一個四維的時空，并提出引力可視為時空的扭曲。這一理論做出了不少重要預(yù)言，其中之一便是：當(dāng)一個物體的質(zhì)量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界（event horizon） 之內(nèi)——在這一黑洞的“勢力范圍”內(nèi)，引力強大到連光都無法逃脫。

天文學(xué)家普遍相信黑洞確實存在于宇宙之中，并根據(jù)質(zhì)量將宇宙中的黑洞分為恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質(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）三類。

然而直到上世紀(jì)60年代，科學(xué)家對黑洞都還只能是“說說而已”。畢竟登山家們勇攀高峰的原因是“山就在那里”，可是，天文學(xué)家們根本看不到黑洞，他們又怎么能確定“黑洞就在那里”呢？

黑洞自身不發(fā)光，難以直接探測，而且黑洞距離地球非常遙遠(yuǎn)，以往的天文觀測設(shè)備根本看不到黑洞。科學(xué)家們只能夠“曲線救國”，采用一些間接方式來證明黑洞的存在——比如周圍恒星運動、吸積盤、噴流乃至引力波等等。

在某些時候，恒星級黑洞（從3個太陽質(zhì)量到100個太陽質(zhì)量大?。⒑阈堑臍怏w撕扯到它自己身邊，產(chǎn)生一個圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體盤，即吸積盤。當(dāng)吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場的作用下被沿轉(zhuǎn)動方向拋射出去，形成噴流。

吸積盤和噴流兩種現(xiàn)象都因氣體摩擦而產(chǎn)生了明亮的光與大量輻射，所以很容易被科學(xué)家探測到，黑洞的藏身之處也就暴露了。

不過，理論很豐滿，現(xiàn)實很骨感。

2019年4月10日，中科院上海天文臺研究員路如森在EHT上海發(fā)布會上介紹最新發(fā)布的人類首張黑洞照片。

以我們的銀河系為例，根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個恒星量級的黑洞，可到目前為止，我們只確認(rèn)了20多個黑洞的存在，此外還有四五十個黑洞候選體。

要最終真正確認(rèn)一個天體是否為黑洞，我們還需要做出更多測量與計算。要探測一個從幾十萬個太陽質(zhì)量到幾十億甚至上百億個太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，挑戰(zhàn)就更大了。

所以即使在探測到引力波、從而權(quán)威性地證明黑洞存在的今天，人類還是沒有直接看到能夠揭秘極端條件下時空秘密的那個“洞”——“黑洞事件視界”。

路如森在接受《新民周刊》說，這或許正是黑洞本身的迷人之處所造成的——黑洞的致密程度讓人難以想象！如果把地球壓縮成一個黑洞，它的大小和一個湯圓差不多;而一個位于距離地球1kpc（約3262光年）處，10倍于太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，其事件視界的角直徑大小只有0.4納角秒。這比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率的億分之一還要小，任何現(xiàn)有的天文觀測手段都沒有這樣的分辨本領(lǐng)！

不過，在沒能一睹黑洞真容的歲月里，科學(xué)家們還是通過計算了解到了黑洞的“樣貌”。

上世紀(jì)70年代，科學(xué)家們計算出了黑洞的圖像。90年代后期，Heino Falcke等人針對銀河系中心黑洞的情況做了詳細(xì)計算，并引入了黑洞陰影的說法。他們同時指出，該黑洞陰影若是“鑲嵌”在周圍明亮的、光學(xué)?。磳δ骋挥^測波長透明）的熱氣體中，就可以被（亞）毫米波甚長基線干涉測量技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）“看到”。這一說法，為科學(xué)家們?nèi)蘸舐?lián)網(wǎng)望遠(yuǎn)鏡觀測打開了一扇窗。

全球望遠(yuǎn)鏡怎么連起來？

科學(xué)家們通過吸積盤和噴流現(xiàn)象來證明黑洞的存在。

早在2017年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時間。2006年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”啟動并記錄下了第一組天文數(shù)據(jù)，當(dāng)時，有三座望遠(yuǎn)鏡使用VLBI技術(shù)進(jìn)行連線觀測。

隨后，科學(xué)家們通過對銀河系中心黑洞和M87黑洞的觀測，確實在亞毫米波段探測到了黑洞邊緣處輻射的結(jié)構(gòu)。

“這給了我們很大的信心。”路如森對《新民周刊》表示，在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實存在的電磁觀測數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的。

2016年探測到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對于更傾向于“眼見為實”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。

所以，在2016年初引力波被直接探測到之后，路如森和全球其他科學(xué)家們一起，進(jìn)一步推動“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）項目，特別在進(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利、墨西哥及南極的望遠(yuǎn)鏡，以增加空間分辨率和望遠(yuǎn)鏡基線覆蓋，繼續(xù)觀測銀河系中心和M87超大質(zhì)量黑洞。

“實際上，2017年的EHT觀測基本上在一年之前就已經(jīng)規(guī)劃了。隨著近年來幾臺毫米波望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)投入，尤其是位于智利的ALMA陣列首次在2017年加入VLBI觀測，我們從2016年就向ALMA提交了觀測申請書，申請觀測時間。毫無疑問，有吸引力的項目自然會被打高分，我們當(dāng)然希望在競爭激烈的望遠(yuǎn)鏡時間申請中脫穎而出，獲得更優(yōu)先的觀測安排?！?/p>

可以說，為了能“看見”黑洞，全球200多名科學(xué)家組成的EHT合作組織光是協(xié)調(diào)、申請觀測各望遠(yuǎn)鏡的觀測時間就付出了大量心血。為了各國科學(xué)家工作的方便，路如森說，自己經(jīng)常是在晚上和美國、歐洲的同行開視頻工作會議，一覺醒來，郵箱里又常常是幾十封待處理郵件。而參與該合作的東亞地區(qū)的科學(xué)家們差不多也多是這樣一種工作節(jié)奏?！翱匆姟北澈笫菬o數(shù)看不見也無法量化的巨大付出。

創(chuàng)建EHT是一項艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級和連接部署八個現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡來組成全球網(wǎng)絡(luò)，而這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點共計6個地區(qū)8個臺站，科學(xué)家們以一種愛因斯坦從未想過的辦法去觀測黑洞——撒出一張大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。

利用這些臺站，科研人員使用VLBI技術(shù)使各地的射電望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)組網(wǎng)，并進(jìn)行同步觀測，同時利用地球自轉(zhuǎn)組成了一個口徑如地球大小、觀測波段為1.3 毫米的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其分辨本領(lǐng)足以讓人能在紐約閱讀位于巴黎一家咖啡館里的報紙。

黑洞照片成像原理。

“這些望遠(yuǎn)鏡并沒有實際連接起來。它們之間是借助氫原子鐘進(jìn)行精確計時實現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的‘組網(wǎng)。”路如森說，“EHT的每一臺望遠(yuǎn)鏡都記錄了大量的原始數(shù)據(jù)，每秒達(dá)到4GB。8個臺站在5天觀測期間共記錄了約3500TB數(shù)據(jù)，相當(dāng)于近350萬部電影，一個人至少要幾百年才能看完！

這些存儲在高性能充氦硬盤上的數(shù)據(jù)，隨后被運至分別位于德國馬普射電所和美國麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。在那里，研究人員用超級計算機矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號相干的目的。

之后，利用合作開發(fā)的新型數(shù)據(jù)處理、成像工具和超級計算機強大的運算能力，科學(xué)家們對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了近兩年時間的后期處理和分析，終于捕獲了首張黑洞圖像。

路如森說，多年來事件視界望遠(yuǎn)鏡一直不斷觀測兩個目標(biāo)黑洞：一個是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的400萬倍，距離地球2.6萬光年;另外一個是位于M87星系中心的黑洞，其質(zhì)量為65億倍的太陽質(zhì)量，距離地球5500萬光年。

“之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標(biāo)，是因為它們的事件視界在地球上看起來是最大的。其它黑洞因為距離地球更遠(yuǎn)或質(zhì)量大小有限，以現(xiàn)有的手段觀測難度更大?！甭啡缟f。

在事件視界望遠(yuǎn)鏡的陣列中，位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列對于提高EHT的觀測靈敏度和整個EHT數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)處理非常重要——望遠(yuǎn)鏡本身的有效面積越大，靈敏度就越高，ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列將事件視界望遠(yuǎn)鏡的各個望遠(yuǎn)鏡真正的組網(wǎng)“連接”起來，把EHT的靈敏度提高了約10倍以上。

“如果未來將更多望遠(yuǎn)鏡加入到這個陣列，我們就能探測到更弱的輻射區(qū)域，看到更多的細(xì)節(jié)，得到一張更加清晰的黑洞照片?！甭啡缟f。

為什么最終大家看到的先是M87星系中心的黑洞照片，而不是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞照片？

“2017年EHT對銀河系中心黑洞和M87黑洞都做了首次成像觀測，但由于事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測來自銀心黑洞周圍的輻射或光子的時候，這些光子會受到傳播路徑上星際介質(zhì)的影響——這些物質(zhì)會散射光子，將觀測結(jié)果模糊化。同時，銀心黑洞質(zhì)量較M87小得多，其黑洞周圍輻射結(jié)構(gòu)的變化較快，對數(shù)據(jù)的分析和最后成像都不如M87來的那么直接?！?/p>

有些人會覺得這就是一張電腦合成圖，路如森用一個簡單的比喻回應(yīng)了一些人的質(zhì)疑?！澳闳メt(yī)院做核磁共振，拿到一張身體某部位置的圖像，你會說我去做了一次該部位的電腦合成圖嗎？”實際上，黑洞照片的成像原理和核磁共振的成像原理完全一致。

它反映的并不是我們?nèi)庋劭梢姷墓饩€，而是黑洞周圍在1.3毫米輻射的亮度空間分布。通過得到的1.3毫米射電輻射的亮度分布圖，我們假定不同的強度對應(yīng)不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個人喜好自行設(shè)定的顏色。

黑色是不是更符合人們對于黑洞的想象呢？反正，此番科學(xué)家把M87的照片調(diào)成了魔眼色，而電影《星際穿越》中天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞 “卡岡圖雅”則是亮黃色。

中國做了什么貢獻(xiàn)？

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）這個虛擬的大望遠(yuǎn)鏡由8臺望遠(yuǎn)鏡組成。

中國科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關(guān)工作。

此次合作中，中國科學(xué)家在早期國際合作的推動、望遠(yuǎn)鏡觀測時間的申請、對位于夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測支持、后期的EHT數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面作出了自己的貢獻(xiàn)。

中國境內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡在觀測波段（頻率）與此項研究要求的條件不相符，所以此次給黑洞拍照的“攝影師”并不包括中國境內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡。“不過，中國以另外一種方式共享了JCMT望遠(yuǎn)鏡參與EHT項目?！甭啡缟赋觥?/p>

現(xiàn)在，有了照片的黑洞終于也有自己的名字了，叫“Powehi”。Powehi是夏威夷語中的一個詞，意思是“無限創(chuàng)造的黑暗源泉”，它來自于18世紀(jì)描寫夏威夷與宇宙創(chuàng)生歷程中的一首頌歌。巧合的是，EHT項目中有2座位于夏威夷毛納基休眠山上，而M87星系中心黑洞的發(fā)現(xiàn)，更是直接獲益于夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡的大力支持。

路如森指出，觀測結(jié)果的窗口期也就那么幾天，很幸運的是那幾天8個臺站的天氣條件都非常適合觀測。“之前根據(jù)兩種方法估算，M87星系的質(zhì)量相差近2倍，也就是說對應(yīng)的黑洞陰影相差近2倍，如果是較小的那個數(shù)值，根本就觀測不到。目前觀測到的陰影發(fā)現(xiàn)剛好是大質(zhì)量的那個數(shù)值，真的是非常幸運了?！?/p>

此外，EHT項目主要資金由美國國家科學(xué)基金會（NSF）、歐盟歐洲研究理事會（ERC）和東亞資助機構(gòu)提供。因此，在資金方面，中國同樣也提供了相應(yīng)的支持。

“我很早就與中國科學(xué)家合作研究黑洞，很高興我們能一起慶祝今天的進(jìn)展?！盓HT科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克說，“在天文學(xué)、射電天文學(xué)、太空天體物理等領(lǐng)域，中國在這個全球項目中作出了非常重要的貢獻(xiàn)。”

中國科學(xué)家協(xié)調(diào)了位于夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測時間。