黑洞照片對(duì)于黑洞物理學(xué)家意味著什么？

編譯 思羽

在這個(gè)歷史性時(shí)刻，整個(gè)世界都暫停下來，欣賞人類拍下的首張黑洞照片。黑洞是已知宇宙中最怪異的現(xiàn)象，是廣義相對(duì)論留下的非凡遺產(chǎn)。讓我感動(dòng)的不僅僅是照片本身；讓我深深感動(dòng)的，是與全球陌生人分享這段經(jīng)歷的意義。讓我感動(dòng)的，是一個(gè)種族注視一個(gè)隱約出現(xiàn)在太空中、令人好奇的空洞照片的畫面。

我正在華盛頓的全國新聞?dòng)浾呔銟凡?，這兒已經(jīng)一片激動(dòng)。事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項(xiàng)目的科學(xué)家多年以來追求的是拍攝超大質(zhì)量黑洞的首張照片，于是當(dāng)他們今天召開新聞發(fā)布會(huì)，將記者和科學(xué)家聚在一起時(shí)，我們?cè)谶@里能看見什么已經(jīng)沒有多少疑問。

然而，還有令人驚異之處。

站在講壇上的是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的主任謝潑德·德勒曼（Sheperd Doeleman）。他對(duì)我們的歡迎辭是“黑洞愛好者”，讓我想起自己和謝潑德站在麻省理工學(xué)院的空教室內(nèi)的黑板前，我的有趣朋友謝潑德有著一頭顯眼又滑稽的頭發(fā)，發(fā)色像烤過的桃花心木。那時(shí)粉筆灰落在我們身上，我倆學(xué)到了愛因斯坦相對(duì)論的難學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)。

我們已知曉相對(duì)論的標(biāo)準(zhǔn)說法：所有形式的物質(zhì)和能量讓空間和時(shí)間彎曲，光和物質(zhì)沿著那些曲線移動(dòng)。這些文字必須憑借信任而接受，但我們能學(xué)習(xí)它們背后的數(shù)學(xué)原理。當(dāng)愛因斯坦構(gòu)想出相對(duì)論時(shí)，他交給我們一份在全球范圍內(nèi)彼此相傳的禮物。相對(duì)論與它的字面意義不同，對(duì)于我們所有人都是真實(shí)的。

我對(duì)麻省理工學(xué)院里的那面黑板的記憶栩栩如生，這也許是因?yàn)槟且豢潭x了我習(xí)得相對(duì)論之前和之后的分界?，F(xiàn)在我無法想象我的頭腦缺少相對(duì)論后會(huì)是怎樣。相對(duì)論彌散在我的思維中，于是我用相對(duì)論來思考，就像作家用他們的自然語言來思考。從在麻省理工學(xué)院的那一次交流起，謝潑德和我依靠相對(duì)論發(fā)現(xiàn)了我們通向黑洞（相對(duì)論做出的最引人注目的預(yù)測(cè)）之路。

人們認(rèn)為：黑洞是思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，是奇異的想象。想象物質(zhì)被擠壓成點(diǎn)，不要問如何擠壓的，只需想象該情景。第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，卡爾·施瓦西（Karl Schwarzschid）加入德國陸軍期間，發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦相對(duì)論的這個(gè)可能解答，他可能是在俄國前線的戰(zhàn)壕里計(jì)算彈道的間隙做出這個(gè)發(fā)現(xiàn)。施瓦西推論出，時(shí)空實(shí)際上會(huì)朝著擠壓中心跌落，甚至連以絕對(duì)速度奔馳的光也被拽下黑洞，在天空中形成陰影。那個(gè)陰影就是事件視界，是外部世界與任何已經(jīng)墜入黑洞的東西之間的明顯分界線。

愛因斯坦認(rèn)為，大自然會(huì)保護(hù)我們，避免形成黑洞。恰恰相反，大自然讓黑洞數(shù)目充裕。當(dāng)一顆衰亡中的恒星質(zhì)量夠重時(shí)，引力克服物質(zhì)固有的阻力，導(dǎo)致恒星災(zāi)難性地坍縮。事件視界作為考古記錄而留下來，而恒星的物質(zhì)繼續(xù)墜入黑洞，迎接未知的宿命。我們所在的銀河系可能有數(shù)十億個(gè)黑洞。

超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)百萬倍、甚至是數(shù)十億倍。幾乎所有星系的中心都是這樣的超大質(zhì)量黑洞，然而還沒人知道它們是如何形成的，也不知道它們?nèi)绾巫兊眠@么重。也許它們形成于合并的死亡恒星，從而尺寸增大；也許它們是在一個(gè)更年輕的宇宙，由更原始的物質(zhì)直接坍縮形成。無論它們是如何形成的，宇宙中的超大質(zhì)量黑洞和星系數(shù)量一樣多，在人類觀測(cè)到的宇宙中有數(shù)千億個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

在今天之前，我們從未見過黑洞，沒有望遠(yuǎn)鏡拍攝的黑洞照片。當(dāng)黑洞吞噬伴星（companion star）、在扭曲的磁場(chǎng)中為含能射流（energetic jet）提供能量、捕捉軌道中的恒星時(shí)，我們從中間接推斷出黑洞的存在。我們甚至已經(jīng)聽到黑洞碰撞與合并的聲音，它們就像木槌落到鼓上一樣讓時(shí)空鳴響。

我們以前從未直接拍攝黑洞的照片，因?yàn)?，盡管黑洞有破壞和毀滅武器的響亮名氣，尺寸卻很小。與太陽一樣重的黑洞擁有直徑僅6 000米的事件視界。相比之下，太陽的寬度達(dá)到1 400萬千米。銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞被稱為“人馬座A*”，它的質(zhì)量是太陽的400萬倍，但寬度大約只是太陽的17倍。

考慮一下這個(gè)挑戰(zhàn)：隔著26 000光年的距離，捕捉到寬度僅是普通恒星17倍的完全漆黑物體的畫像。分辨一張人馬座A*的圖像，難度與分辨月球上1塊水果的圖像相當(dāng)。

為了分辨這樣極小的圖像，需要整個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡。從在麻省理工學(xué)院那間落滿粉筆灰的教室里待過的那段日子起，我的這位完全不循規(guī)蹈矩的好友已經(jīng)打定主意，要捕捉到超大質(zhì)量黑洞的圖像。

我們還在研究生院學(xué)習(xí)時(shí)，謝潑德的頭發(fā)就是他頭腦的象征：無拘無束、生機(jī)勃勃。我羨慕他思維方式中的自由，他總是能出人意料地將知識(shí)連貫起來，有時(shí)以必修課為代價(jià)。他的驚愕眼神會(huì)提醒我，一個(gè)瘋狂的點(diǎn)子在那一刻蹦入他的腦海。

事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目是對(duì)大膽想法、科學(xué)創(chuàng)新與合作的證明。該項(xiàng)目利用全球的大型射電望遠(yuǎn)鏡，依賴最新、最尖端的天文臺(tái)，恢復(fù)一些荒廢的設(shè)施，最終成為一臺(tái)地球大小的合成望遠(yuǎn)鏡。隨著地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，目標(biāo)黑洞進(jìn)入合成望遠(yuǎn)鏡的視野。為了得出精確的圖像，全球的眾多望遠(yuǎn)鏡需要統(tǒng)一操作，這牽涉到敏感的時(shí)間校正，那樣才會(huì)有如地球大小的鏡頭觀測(cè)黑洞。

結(jié)合多個(gè)望遠(yuǎn)鏡、獲得更好的分辨率是謝潑德在20世紀(jì)90年代的博士論文的基礎(chǔ)。到2008年時(shí)，他領(lǐng)導(dǎo)一支小團(tuán)隊(duì)，對(duì)尺寸上能與超大質(zhì)量黑洞相比的天體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)成像。這次概念驗(yàn)證推動(dòng)了EHT項(xiàng)目，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)如今確信外界要求的分辨率觸手可及。此后的10年里，EHT必須應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)處理提出的挑戰(zhàn)，從技術(shù)上獲得進(jìn)步，而謝潑德把功勞歸于國際團(tuán)隊(duì)的毅力和集體貢獻(xiàn)的聰明。

超大質(zhì)量黑洞人馬座A*成為顯而易見的追蹤目標(biāo)。盡管各星系的超大質(zhì)量黑洞數(shù)量豐富，但所有其他超大質(zhì)量黑洞都太過遙遠(yuǎn)，甚至用地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡也無法分辨。只有一個(gè)例外。M87星系是與地球相距5 500萬光年的巨大橢圓星系，我們知道該星系中有一個(gè)令人驚嘆的超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大概在太陽質(zhì)量的35億到72億倍之間。假如它的質(zhì)量在估測(cè)范圍較小的那頭，M87星系黑洞不可能成為EHT的目標(biāo)；假如在估測(cè)范圍較大的那頭，它可能適合。于是，在對(duì)人馬座A*的激烈追蹤中，M87成為第二觀測(cè)目標(biāo)。

虛無太空的黑色背景中的黑洞的確看不見。人馬座A*和M87的事件視界的近旁有熱盤（hot disk）作軌道運(yùn)行，被卷入其中的碎屑有助于讓黑洞顯現(xiàn)。來自于發(fā)光軌道物質(zhì)的光線沿著彎曲空間彎曲，使黑洞后面的光重新射向我們。熱盤似乎圍繞著黑洞，形成明亮對(duì)比，讓它的陰影清晰可見。

EHT實(shí)際上觀測(cè)到的是比事件視界本身稍大的區(qū)域。這片區(qū)域由最靠近黑洞的位置來定義，光束在這片區(qū)域的圓上運(yùn)行，被稱為“最后的光子軌道”。

黑洞理論家、黑洞觀測(cè)家、記者和朋友會(huì)聚一堂，分享一張我們?cè)缫严胂蟮恼掌⒓?dòng)慶祝。但聽到他們宣布說：他們看見的不是人馬座A*，它不是我們要看的黑洞，而是M87時(shí)，我們還是大吃一驚。

圖像不會(huì)弄錯(cuò)；與我們太陽系同樣大小的暗影被一塊美麗的亮斑包圍。

盡管照片的科學(xué)含義需要時(shí)間來展現(xiàn)，一些人類學(xué)的沖擊是即刻發(fā)生的。EHT收集的來自M87的光在5 500萬年前就朝著地球而來。在那千萬年里，人類出現(xiàn)在地球上，伴隨著人類的神話、各種文化、思想體系、語言和不同信仰?？粗鳰87星系黑洞時(shí)，我不禁想起，科學(xué)發(fā)現(xiàn)超越了這些差異。我們都生活在同一片天空下，我們所有人都生活在這顆淡藍(lán)色星球上，飄浮在太陽系中這片天體稀疏的區(qū)域中，處在黃色太陽的暖意下，位于稀疏的星辰之海里，位于繞著星系中心的超大質(zhì)量黑洞的軌道上。

當(dāng)謝潑德被人問起，他第一次看見M87星系黑洞照片的那一刻在想些什么，他答道：“我們看見了一些如此真實(shí)的東西?！边@句話對(duì)我們所有人來說都是真實(shí)的。