黑洞“拍照”指南

謝七七

舞臺(tái)上，結(jié)義、飲酒、醉獅自拍、拍美食、拍美景……比起普通人“一機(jī)在手，天下我有”的拍照熱情，科學(xué)家可能更熱衷于拍攝神秘的黑洞——盡管百年來從未看過它的真面目。你也許會(huì)反駁：“我看過很多黑洞照片！”事實(shí)上，你看過的黑洞照片，大概率是科學(xué)家基于一些數(shù)據(jù)，讓藝術(shù)家繪制的模擬圖像。雖說天文學(xué)家相信幾乎所有的星系中央都存在黑洞，但想為黑洞拍張照，還真沒那么容易！

我們知道黑洞這個(gè)“模特”吧，它強(qiáng)大的引力場(chǎng)會(huì)引起時(shí)空扭曲，連光都會(huì)吸進(jìn)去，真就是黑乎乎一片了，還怎么拍？別急，在黑洞附近有一個(gè)范圍稱為事件視界，視界里面的任何物體都無法逃脫黑洞的引力，但視界外面的光還是可以逃脫的。而黑洞附近的恒星由于受到黑洞巨大的引力作用，有些物質(zhì)會(huì)被黑洞吸引，繞著它轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，還會(huì)發(fā)光發(fā)熱，就形成了一條發(fā)光的“腰帶”，被稱為吸積盤。而我們真正要拍的就是視界外面的吸積盤。下面，就跟著科學(xué)家學(xué)學(xué)怎么給黑洞“拍照”吧！

事實(shí)上，我們給黑洞拍照有兩個(gè)最佳“模特”：質(zhì)量大且離我們較遠(yuǎn)的M87星系中心黑洞和銀河系中心的人馬座A*黑洞。前者距離我們5500萬光年，后者是距地球最近的超大質(zhì)量黑洞，離我們也有約26000光年。要拍它們，就好比站在地球上拍月球上的一個(gè)甜甜圈。

拍攝M87星系中心黑洞，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑至少要達(dá)到8000千米，比地球半徑還要長(zhǎng)得多，難道要建一臺(tái)比地球還大的望遠(yuǎn)鏡嗎？當(dāng)然不是，聰明的科學(xué)家總有辦法：既然一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡達(dá)不到這么大口徑，可不可以使用多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡達(dá)到這個(gè)目的呢？比如，用兩臺(tái)相距一定距離的射電望遠(yuǎn)鏡組成網(wǎng)絡(luò)，它們就合為一個(gè)“鏤空”的反射式望遠(yuǎn)鏡，二者之間的距離就相當(dāng)于“鏤空”望遠(yuǎn)鏡的口徑了。

按照這個(gè)思路，科學(xué)家利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)，將智利-阿塔卡馬毫米望遠(yuǎn)鏡波陣、美國(guó)夏威夷-亞毫米波望遠(yuǎn)鏡、南極-SPT望遠(yuǎn)鏡波陣、美國(guó)亞利桑那州-SMT望遠(yuǎn)鏡、西班牙-毫米波望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)夏威夷-麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡、墨西哥 -毫米波望遠(yuǎn)鏡、智利-阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡這8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成了一架虛擬的、地球尺寸的反射式望遠(yuǎn)鏡，即事件視界望遠(yuǎn)鏡。這是第一個(gè)專為獲取黑洞影像的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，簡(jiǎn)稱EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）。

2017年4月，足以看清月球上一個(gè)甜甜圈的事件視界望遠(yuǎn)鏡，正式對(duì)準(zhǔn)了M87星系中心黑洞和銀河系中心的人馬座A*黑洞。8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡都位于高海拔處，因?yàn)榉植荚谌蚋鞯兀茖W(xué)家會(huì)定個(gè)鬧鐘，統(tǒng)一時(shí)間去觀測(cè)黑洞。當(dāng)然，他們定的鬧鐘一點(diǎn)也不普通，那是著名的氫原子鐘，數(shù)億年才誤差1秒，足以保證觀測(cè)的同步。

按下快門，只需要短短1秒，而EHT項(xiàng)目對(duì)兩個(gè)黑洞“模特”的拍攝也僅持續(xù)了10天。真正艱難的步驟，還在后頭。

10天的觀測(cè)，匯總的數(shù)據(jù)已經(jīng)非常龐大，差不多有3500TB！這么大的內(nèi)存，網(wǎng)絡(luò)肯定傳輸不了，只能通過硬盤來傳輸。然而，即使用1TB的特制硬盤來傳輸，也需要3500個(gè)硬盤，疊起來有15層樓那么高。數(shù)據(jù)處理的工作量之龐大可想而知。

由于南極洲有禁飛期，這些數(shù)據(jù)等了好幾個(gè)月才從南極運(yùn)出來，送到美國(guó)的麻省理工學(xué)院和德國(guó)的馬克思—普朗克射電天文研究所。僅處理M87星系中心黑洞的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家就花了2年時(shí)間。

如同刑偵畫師通過受害者的描述給罪犯畫像一樣，多個(gè)數(shù)據(jù)處理小組開始為M87星系中心黑洞“畫像”。每個(gè)小組用超級(jí)計(jì)算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫(kù)，與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)，一點(diǎn)一點(diǎn)從不同角度推算、還原“模特”的真實(shí)樣貌，直到提取出數(shù)千張照片平均后的效果，黑洞照片才算真正完成。

這一畫就畫了2年。2019年，M87星系中心黑洞照片曝光。人們驚喜地發(fā)現(xiàn)，它就像個(gè)對(duì)稱的甜甜圈。又經(jīng)過了漫長(zhǎng)的3年“沖洗”，我們銀河系中心黑洞的第一張真實(shí)圖像，或者說是黑洞周圍環(huán)境的直接圖像終于呈現(xiàn)了。漆黑一團(tuán)的黑洞周圍環(huán)繞著一圈黃色發(fā)光物質(zhì)，細(xì)瞧，還是像個(gè)甜甜圈呢，只是看起來不那么對(duì)稱了。

你可能覺得奇怪，為什么銀河系中心的人馬座A*黑洞距離地球更近，照片卻比遙遠(yuǎn)的M87星系中心黑洞“沖洗”出來晚了3年？而且還那么模糊？這是因?yàn)樯潆娡h(yuǎn)鏡觀測(cè)黑洞時(shí)，有大量氣體和塵埃干擾，造成觀測(cè)時(shí)光線散射，像云朵遮住了太陽一樣，看起來就模模糊糊的。而且，黑洞周圍吸積盤里的氣體，繞轉(zhuǎn)M87星系中心黑洞一周需要幾天到數(shù)周時(shí)間，但繞轉(zhuǎn)小很多的人馬座A*黑洞一周只需要幾分鐘。這意味著，人馬座A*黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案，也在更快速地變化著，給它拍照就像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片，很容易出現(xiàn)重影，“沖洗”處理也更難了。

盡管困難重重，耗時(shí)長(zhǎng)久，科學(xué)家最終還是拍到了這個(gè)位于我們星系中心的超大質(zhì)量黑洞，再次印證了愛因斯坦的廣義相對(duì)論?，F(xiàn)在，你學(xué)會(huì)怎樣給黑洞“拍照”了嗎？據(jù)說，科學(xué)家還打算拍攝一部銀河系中心黑洞的“電影”，讓我們拭目以待吧。