揭開黑洞的面紗

黑洞，宇宙中的當(dāng)紅“大咖”，天文學(xué)界、物理學(xué)界的“寵兒”。自20世紀(jì)開始，人們對黑洞的探秘就從未停止過。然而，經(jīng)過全球200多位科學(xué)家數(shù)年的努力，直到今年的4月10日，人們才真正看到第一張黑洞照片。在此之前，黑洞所有的圖片、視頻都是人們根據(jù)自己的猜測和想象畫出來的。

為什么要給黑洞拍照？

雖然現(xiàn)代意義上的黑洞已經(jīng)被預(yù)言了一百年，天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了很多黑洞存在的證據(jù)，比如黑洞吞噬恒星時發(fā)出的光，黑洞碰撞時發(fā)出的引力波等，但這些都是“間接證據(jù)”。只有拍攝到黑洞核心區(qū)域——事件視界（一種時空的曲隔界線，可簡單理解為黑洞的邊界）的剪影，才是黑洞存在最直接的證據(jù)。給黑洞拍照除了能證明黑洞存在，還有助于我們了解星系中心黑洞的質(zhì)量、自旋、吸積率、周圍環(huán)境和磁場、成長歷史等天體物理問題。人們還可以根據(jù)黑洞照片中黑洞周圍發(fā)光氣體的形態(tài)，推測出黑洞周圍時空的彎曲情況，這有助于人們進(jìn)一步了解引力理論。

給黑洞拍照有多難？

在回答這個問題之前首先要了解什么是黑洞。黑洞是一種天體，擁有巨大的質(zhì)量、近乎于零的體積、吞噬一切的引力和無限高的時空曲率，沒有任何東西能夠從黑洞“嘴”里逃脫，即使是宇宙中速度最快的光也無法逃離黑洞。我們之所以能看到物體，是因為有光，但黑洞不但不發(fā)光而且還吸收光，所以我們是無法看到黑洞的，只能看到其他東西掉到黑洞事件視界之前發(fā)出來的信號。因此黑洞在照片里呈現(xiàn)的形態(tài)其實是個影子，只有黑洞附近的環(huán)境有光亮?xí)r，這個影子才能凸顯出來。但因為宇宙背景本身是黑的，所以要等圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的恒星氣體，被黑洞吸入，產(chǎn)生大量的光和熱時，我們才能拍攝到黑洞的影子。而且黑洞的體積很小，一個和太陽質(zhì)量相當(dāng)?shù)暮诙窗霃街挥腥?，地球附近也沒有已知黑洞，因此拍攝黑洞就相當(dāng)于在地球上拍攝月球上的一個乒乓球，難度可想而知。

怎樣才能獲得一張黑洞照片？

首先科學(xué)家們要挑選一個看起來盡可能大的目標(biāo)作為拍照對象，他們需要在“黑洞夠大”和“離我們近”這兩點間找到平衡，于是銀河系中心的超大黑洞人馬座A*，以及5000萬光年以外M87星系中心的另一個超大黑洞成為了本次拍攝的目標(biāo)。其次是建設(shè)合適的望遠(yuǎn)鏡。假如人類有一臺超大的望遠(yuǎn)鏡，它的口徑跟地球的直徑相當(dāng)，那么理論上就能隱約看清銀河系中心超大黑洞留下的剪影。只可惜，我們不可能把整個地球改造成一臺望遠(yuǎn)鏡。但如果能把分散在世界各地的多臺射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來，讓它們在同一時間觀測同一個目標(biāo)，就能擁有像地球那么大的望遠(yuǎn)鏡的分辨能力了。于是科學(xué)家們發(fā)明了一種技術(shù)，通過比較距離很遠(yuǎn)的幾臺望遠(yuǎn)鏡記錄的電磁波相位的差異，來反推天體的圖像（也就是基線干涉技術(shù)）。通過這個技術(shù)，若干臺相距幾公里的望遠(yuǎn)鏡可以聯(lián)合成一個陣列，達(dá)到一臺口徑幾公里的望遠(yuǎn)鏡的分辨率。2012年，天文學(xué)家在美國亞利桑那州舉行了首次國際會議，將分散在歐洲、北美、南美、太平洋和南極的8臺射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合在一起，組合成了一臺口徑相當(dāng)于地球大小的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）。

由于多臺望遠(yuǎn)鏡之間的鐘差（即設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星的時鐘差）、望遠(yuǎn)鏡自身產(chǎn)生的微小改變等問題都會影響到觀測精度，且拍照對象黑洞本身也在不斷變化，所以科學(xué)家們需要探索新方法對“相機(jī)”進(jìn)行校準(zhǔn)，建立模型，以提升合成圖像的質(zhì)量和精度。經(jīng)過合并分析8臺望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，與計算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行比對等復(fù)雜的“照片沖洗”過程后，科學(xué)家們才最終得到了黑洞的圖像。

我們有可能拍攝到更多的黑洞嗎？

此后我們肯定會得到這兩個黑洞更清晰的照片，因為會有更多的望遠(yuǎn)鏡加入干涉陣列，也會發(fā)明更先進(jìn)的觀測技術(shù)。但未來，能否拍到其他的黑洞，就要看望遠(yuǎn)鏡分辨率能否大幅提升了。EHT現(xiàn)在已經(jīng)很難再提升分辨率了，要想大幅提升望遠(yuǎn)鏡分辨率，可能需要用上海天文臺葉叔華院士提議的太空射電望遠(yuǎn)鏡，或者在月球背面造一個望遠(yuǎn)鏡。無論如何，能見證第一張黑洞照片問世是我們的幸運，希望未來我們能揭開更多神秘天體的“面紗”。