太空突破：人類捕獲首張黑洞照片

編譯 蔡立英

事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）捕獲的首張黑洞照片

天文學(xué)家捕獲首張黑洞照片，開啟了人類對宇宙中最神秘天體的一場認(rèn)知革命。

照片顯示了一個由塵埃和氣體構(gòu)成的光環(huán)，勾勒出了一個巨大黑洞的輪廓，這個黑洞位于距離地球5 500萬光年外的大質(zhì)量星系M87中心。

什么是黑洞？

100多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，把引力視為由物質(zhì)和能量造成的時空彎曲，最早預(yù)言了黑洞的存在。

愛因斯坦的廣義相對論方程預(yù)言，當(dāng)巨大的物質(zhì)或能量濃縮到一個地方，時空會塌縮，就會留下一個黑洞，光和物質(zhì)能進(jìn)入其中卻無法逃逸。

起初，科學(xué)家以為這是數(shù)學(xué)上的奇妙，而不是真實的天體，但是在過去100年，壓倒性的證據(jù)證實了黑洞的存在。

黑洞的邊界被定義為“事件視界”（event horizon），只有速度比光速更快的物體才能逃脫事件視界。據(jù)我們目前所知沒有東西比光速更快，因此這是物體無法返回的界面。

塵埃和氣體組成吸積盤，以接近光速的速度繞黑洞運(yùn)動。很多黑洞吸積物質(zhì)注定會湮滅，不過也有一些吸積物質(zhì)會產(chǎn)生高能輻射噴流。

黑洞照片對我們認(rèn)識黑洞有幫助嗎？

黑洞本身是不可見的，像是一個宇宙暗門，光和物質(zhì)都無法從中逃脫。但是，最新的天文觀測手段首次把天文學(xué)家直接帶到了黑洞的臨界點，照亮了所有已知物理定律都無法逾越的事件視界。

這張突破性的黑洞照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）捕獲，這是由分布在南極、西班牙、智利等地的8個射電望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，超過200位科學(xué)家參與其中。

EHT項目主任、哈佛大學(xué)高級研究員謝潑德·德勒曼（Sheperd Doeleman）表示：“黑洞是宇宙中的神秘天體，我們看見了以前我們以為不可見的黑洞，我們拍攝到了一張黑洞照片?！?/p>

美國國家科學(xué)基金會主席、天體物理學(xué)家弗朗斯·科爾多瓦（France Córdova）說，她只在她主持的新聞吹風(fēng)會上見過這張照片亮相，就已經(jīng)讓她熱淚盈眶。她說：“我們已經(jīng)對黑洞研究了這么長時間，有時很容易忘記我們沒有人曾見過黑洞照片，這張照片將在人們的記憶中留下深刻印跡?！?/p>

這張照片首次讓人類直接窺見了黑洞吸積盤：由氣體和塵埃構(gòu)成的甜甜圈形狀的模糊圓環(huán)，這些塵埃和氣體正不斷“喂養(yǎng)”圓環(huán)中的怪物。

EHT接收吸積盤內(nèi)粒子發(fā)出的輻射，這些粒子在以接近光速的速度繞黑洞旋轉(zhuǎn)時被加熱到數(shù)十億度，然后消失在黑洞中。

照片中的光環(huán)之所以呈現(xiàn)為新月狀，是因為吸積盤向地球旋轉(zhuǎn)的一側(cè)的粒子更快地拋向我們，所以看起來更明亮。里面的黑影標(biāo)志著事件視界的邊界，也就是無法返回的界面，任何光或物質(zhì)都無法以足夠快的速度逃脫黑洞不可抗拒的引力，逃脫到事件視界之外。

黑洞最早由愛因斯坦的相對論所預(yù)言，盡管愛因斯坦本人也懷疑黑洞是否真實存在。從那以后，天文學(xué)家已經(jīng)積累了壓倒性的證據(jù)，包括最近探測到雙黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，證明這些宇宙中的神秘天體確實存在。

但是，黑洞是如此小、黑暗，離我們又如此遙遠(yuǎn)，直接觀測黑洞要求望遠(yuǎn)鏡達(dá)到相當(dāng)于看見月球上的百吉餅的分辨率。這曾經(jīng)被認(rèn)為是不可逾越的挑戰(zhàn)。

而此次，EHT通過整合來自8個世界領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡和南極望遠(yuǎn)鏡，獲得了必要的支持，創(chuàng)造出口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡。

當(dāng)2017年啟動觀測時，EHT有兩個主要觀測目標(biāo)。第一個目標(biāo)是位于銀河系中心的人馬座A*黑洞，其質(zhì)量大約是400萬倍的太陽質(zhì)量。第二個目標(biāo)就是此次捕獲的首張黑洞照片的主角，位于星系M87的超大質(zhì)量黑洞，已經(jīng)有相當(dāng)于60億個太陽的光和物質(zhì)消失在這個黑洞中。

EHT合作組織仍在致力于捕獲銀河系中心人馬座 A*黑洞的照片。杜勒曼表示：“我們希望很快就能獲得人馬座 A*黑洞的照片?！?/p>

EHT項目的成功取決于若干地點的天空同時晴朗和8個各地團(tuán)隊的精誠合作。不同地點的觀測利用氫原子鐘進(jìn)行協(xié)調(diào)，精準(zhǔn)到每1億年誤差1秒以內(nèi)。然后，在2017年4月的某個夜晚，萬事俱備、水到渠成?！拔覀兂壭疫\(yùn)，天氣非常完美?！盓HT合作組織成員、來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院的齊里·揚(yáng)斯（Ziri Younsi）說。

這些射電望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)是前所未有的。EHT項目一個晚上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就足以填滿半噸硬盤。這就意味著要等半年之后才能拿到南極點的觀測數(shù)據(jù)，因為只有等到南極的冬季結(jié)束，存儲數(shù)據(jù)的硬盤才能通過海路運(yùn)出。

這些觀測結(jié)果已經(jīng)讓科學(xué)家對黑洞附近的奇異環(huán)境有了新的認(rèn)識，那里的引力是如此強(qiáng)烈，以至于我們所知的現(xiàn)實已經(jīng)扭曲得超出了我們的認(rèn)知。

在事件視界上，光在黑洞周圍彎曲成完美的圓圈，這意味著如果你站在那里，你就能看見自己的后腦勺。EHT觀測還提供了迄今對愛因斯坦廣義相對論最嚴(yán)格的驗證之一：愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，黑洞的光環(huán)是圓形，與EHT的觀測結(jié)果一致。

關(guān)于黑洞噴流的起源，科學(xué)家希望了解更多，這些噴流從一些黑洞的兩極以接近光速的速度噴出，可以形成明亮火柱，在廣袤宇宙中呈現(xiàn)。

但是，這些觀測結(jié)果尚未揭示黑洞高深莫測的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

揚(yáng)斯說：“黑洞不是事件視界，而是隱蔽在事件視界內(nèi)部的東西。黑洞可能是事件視界內(nèi)部的什么東西，一個在表面之下盤旋的奇異天體，或者可能是事件視界中心的奇點……或者環(huán)形。此次觀測還沒有解釋事件視界里面發(fā)生了什么?！?/p>

EHT科學(xué)委員會主席、來自荷蘭拉德堡德大學(xué)的海諾·法爾克（Heino Falcke）說：“對我來說，最大的問題是，我們能否超越那個極限（黑洞的事件視界）。答案是：我們也許能也許不能。這令人沮喪，不過我們必須接受?！?/p>

給黑洞“洗照片”：開發(fā)關(guān)鍵算法的女博士

事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測方法稱為干涉測量技術(shù)（interferometry），這有點像把卵石扔到池塘里激起漣漪，通過放置在池塘周邊的探測器測量卵石激起的漣漪來重建卵石的結(jié)構(gòu)。類似的，EHT要把來自8臺望遠(yuǎn)鏡的所有信號整合并輸入到計算機(jī)中，再把海量的費解信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X圖像。

這就提出了前所未有的計算挑戰(zhàn)：因為收集到的數(shù)據(jù)量是如此巨大，只能存儲在硬盤中，然后統(tǒng)一運(yùn)送到中心地點：麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺，這些硬盤加起來足有半噸重。

開發(fā)全新的高級算法是把EHT觀測數(shù)據(jù)變成圖像的關(guān)鍵部分。這不僅需要整合數(shù)據(jù)，還需要過濾掉像大氣濕度（大氣濕度會導(dǎo)致電波彎曲）等因素產(chǎn)生的噪聲，還要精確同步各地望遠(yuǎn)鏡捕獲的信號。

當(dāng)計算機(jī)科學(xué)家凱蒂·布曼還是麻省理工學(xué)院的學(xué)生時，她就開發(fā)出了一種新算法，把EHT網(wǎng)絡(luò)收集的觀測數(shù)據(jù)拼接在一起。布曼繼而領(lǐng)導(dǎo)了一系列精心測試，旨在確保EHT獲得的黑洞照片不是某種技術(shù)故障或僥幸的結(jié)果。在某一個測試階段，需要把合作組織拆分成4個獨立的分析團(tuán)隊，各自獨立分析數(shù)據(jù)，直到他們絕對確信各自的分析結(jié)果。

布曼說：“我們這個合作組織是集結(jié)了天文學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師的大熔爐，正因如此，我們才取得了過去認(rèn)為不可能的成就?！?/p>