黑洞什么樣？終于有圖有真相

本報(bào)記者趙覺(jué)珵　趙雨笙

編者按：10日，一個(gè)爆炸性的重大消息轟動(dòng)了全球天文界——在全球多地同步發(fā)布了人類首次拍攝的黑洞照片。這個(gè)在科幻類影視作品和霍金等科學(xué)家的字典中高頻出現(xiàn)的燒腦詞匯到底是什么呢？首張將黑洞真身公之于眾的照片又是怎么拍出來(lái)的呢？對(duì)于黑洞的研究真的可以幫助人類進(jìn)行星際穿越嗎？針對(duì)這些話題，《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者10日采訪了多位中國(guó)知名天文學(xué)家。

黑洞，是個(gè)“黑色的洞”嗎？

時(shí)空中的無(wú)底深淵、深藏不露的引力陷阱……在史蒂芬·霍金的科學(xué)名著《時(shí)間簡(jiǎn)史》中，黑洞是宇宙中最為神秘的天體之一。但黑洞真的如字面含義就是一個(gè)“黑色的洞”嗎？霍金曾在演講中明確表示，“黑洞不是黑的”。那黑洞到底是什么樣呢？

“首先，黑洞不是洞，它是一個(gè)球體”，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新10日對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者解釋稱，黑洞是大型恒星衍變到后期的結(jié)果，經(jīng)過(guò)膨脹、坍縮，其內(nèi)部壓力變得極為龐大，密度可以達(dá)到每立方厘米的質(zhì)量幾十億噸，而且?guī)缀跛匈|(zhì)量都集中在最中心的“奇點(diǎn)”處。這樣龐大的密度導(dǎo)致在黑洞周圍的一定區(qū)域內(nèi)，連光也無(wú)法逃逸出去，這個(gè)邊界稱為“事件視界”。而沒(méi)有光，人類也就無(wú)法看見(jiàn)黑洞。

人類關(guān)注黑洞的歷史可以追溯到18世紀(jì)末。在萬(wàn)有引力定律提出約百年后，英國(guó)科學(xué)家約翰·米歇爾在1783年首次提出，可能存在引力強(qiáng)大到連光線也無(wú)法逃離的“暗星”。1915年，愛(ài)因斯坦提出真正“預(yù)見(jiàn)”黑洞的廣義相對(duì)論。20世紀(jì)60年代，美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·惠勒首次將“黑洞”作為一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ)提出，此后，科學(xué)界不斷收獲關(guān)于黑洞的研究成果。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，目前人們知道的黑洞有兩種，一種是恒星級(jí)黑洞，另一種是超大質(zhì)量黑洞，后者一般位于星系中心，最小的也相當(dāng)于幾十萬(wàn)或上百萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。此次被拍照的主要是兩個(gè)黑洞：位于銀河系中心的“人馬座A*”黑洞；M87星系中心的黑洞。根據(jù)理論推算，銀河系中恒星量級(jí)的黑洞有上千萬(wàn)個(gè)。天文學(xué)界認(rèn)為，許多星系中央都有超大質(zhì)量黑洞。▲

什么“神器”能給黑洞拍照？

數(shù)十年來(lái)始終神秘莫測(cè)的黑洞10日第一次展現(xiàn)在人們面前，其背后是全球200多名研究人員、8處大型天文望遠(yuǎn)鏡陣列歷時(shí)兩年的努力。那能給黑洞這個(gè)巨大的家伙拍照的“神器”是個(gè)什么樣子呢？

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）并不是一個(gè)傳統(tǒng)觀念的觀測(cè)平臺(tái)，而是由位于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極的天線組成觀測(cè)陣列，包括8處獨(dú)立的大型天文望遠(yuǎn)鏡陣列。這些望遠(yuǎn)鏡從南到北橫跨7000公里左右，兩者之間最遠(yuǎn)距離超過(guò)1萬(wàn)公里。科研人員利用這些分布在世界各地的天文望遠(yuǎn)鏡，組成一臺(tái)巨大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其口徑相當(dāng)于地球直徑，因此EHT也被稱為“地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡”。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者介紹稱，EHT利用了射電甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）技術(shù)，之所以需要多個(gè)望遠(yuǎn)鏡合作，是為了增加望遠(yuǎn)鏡之間的距離，從而增加角分辨率，以獲得更強(qiáng)的解析力。EHT的多個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間由于距離夠遠(yuǎn)，才能觀測(cè)遙遠(yuǎn)的黑洞，這是任何一座望遠(yuǎn)鏡或是一個(gè)國(guó)家的望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法完成的任務(wù)。

黑洞不發(fā)光，科學(xué)家們是怎么觀測(cè)到它的呢？事實(shí)上，人們看到的并非是黑洞真正形象，圖像中發(fā)光的部分是黑洞吸引下的氣體。由于黑洞的存在以極端的方式影響著周圍環(huán)境，讓時(shí)空彎曲，并將周圍的氣體吸引進(jìn)來(lái)，在此過(guò)程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，因此氣體的溫度變得很高，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，得以讓天文望遠(yuǎn)鏡從遙遠(yuǎn)的地球觀測(cè)到上述景象。陳學(xué)雷表示，科研人員無(wú)法看到黑洞，但通過(guò)給它在周圍天體上投射的陰影拍照，從而得出黑洞的第一張照片。▲

影視作品中的黑洞更炫酷

很多人對(duì)于黑洞的直觀印象基本都來(lái)自科幻電影等影視作品。而這些科幻作品中所詮釋的黑洞其實(shí)大都不是太科學(xué)，但不可否認(rèn)它們?cè)谄占昂诙催@個(gè)天文概念中起到了非常重要的作用。

就黑洞而言，科幻小說(shuō)作家和科幻電影編劇總能通過(guò)科學(xué)家對(duì)黑洞有限的認(rèn)知理論構(gòu)思出天馬行空的腳本。比如美國(guó)早年拍攝的科幻電影《黑洞》《黑洞表面》等作品，普遍帶有一定的暗黑色彩，重在渲染黑洞有著吞噬一切的可怕力量。

不過(guò)最接近學(xué)界對(duì)黑洞科學(xué)認(rèn)知的是2015年上映的科幻電影《星際穿越》。由物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者基普·索恩親自參與設(shè)計(jì)的黑洞圖像一度被認(rèn)為是最接近真實(shí)黑洞的影像。該片導(dǎo)演諾蘭曾經(jīng)驕傲地表示，此前的科學(xué)家都未曾給黑洞和蟲洞建過(guò)模，但《星際穿越》做到了這一點(diǎn)。片中的黑洞“卡岡圖雅”周圍被吸過(guò)去但逃脫一劫的光在黑洞的陰影附近展現(xiàn)出人意料的復(fù)雜特征圖譜，而發(fā)光的吸積盤則在黑洞的上下方以及前方出現(xiàn)。

影片主角進(jìn)入黑洞后發(fā)現(xiàn)自己置身于房屋書架后面，這種構(gòu)思設(shè)計(jì)已經(jīng)超越了大眾所理解的四維空間范疇。▲

我們成為首批“看到”黑洞的人

在全球熱切盼望中，全球多地同步發(fā)布了人類首張黑洞照片。

北京時(shí)間10日晚9時(shí)，在美國(guó)華盛頓、中國(guó)上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同步召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)上，人類拍攝到的第一張黑洞圖像終于披露。此次發(fā)布的黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，其距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。

照片中，在溫暖而神秘的紅色光環(huán)中間是一片深黑的無(wú)底洞。圓環(huán)的一側(cè)亮一些，另一側(cè)暗一些。專家強(qiáng)調(diào)，在圖像中，光環(huán)的內(nèi)邊界也并不是黑洞的視界，真正的黑洞還在這片陰影之中。

與人們的預(yù)想相比，黑洞的真實(shí)影像似乎有些模糊。但中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者表示，“這樣的成像已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了，畢竟距離地球那么遙遠(yuǎn)”。哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的EHT項(xiàng)目主任謝潑德·杜勒曼表示，“我們已經(jīng)取得了一代人以前認(rèn)為不可能做到的事情。”

對(duì)于這張照片為何洗了兩年才對(duì)外發(fā)布，茍利軍表示，首先，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年時(shí)8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量讓數(shù)據(jù)處理的難度不斷加大。其次，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)有著非常多的不確定性。

根據(jù)此前公布的消息，EHT項(xiàng)目主要觀測(cè)的對(duì)象是銀河系中心黑洞和M87星系中心黑洞，但此次發(fā)布會(huì)并未公布銀河系黑洞圖像。陳學(xué)雷告訴《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者，根據(jù)其他國(guó)家研究人員透露的消息，銀河系中心黑洞的照片還在處理中。由于該黑洞的體積較小，活動(dòng)較多，處理起來(lái)更加復(fù)雜。

作為一個(gè)全球參與的重要項(xiàng)目，EHT也少不了中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)表示，中國(guó)大陸共有16位科學(xué)家參與到EHT項(xiàng)目中，還有部分來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的研究人員也參與其中。雖然位于中國(guó)的天文望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有直接參與到此次觀測(cè)中，但由中國(guó)聯(lián)合運(yùn)行的位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）是EHT聯(lián)合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一。此外，中方在EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面都作出了貢獻(xiàn)。▲

黑洞能否助人類星際穿越

黑洞這個(gè)讓天文學(xué)家興奮了近百年的燒腦概念，未來(lái)將會(huì)繼續(xù)向何處發(fā)展呢？是否真有可能會(huì)如同一些科幻電影中出現(xiàn)的場(chǎng)景，在某種特殊條件下可以成為供人類進(jìn)行星際穿越的神秘時(shí)空隧道呢？

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者表示，有一些物理學(xué)家認(rèn)為黑洞可以充當(dāng)星際空間旅行通道的作用，知名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾說(shuō)，在黑洞的最中心，是平行宇宙的另外一個(gè)入口。通過(guò)黑洞，可以快速到達(dá)在地球上看起來(lái)非常遙遠(yuǎn)的一個(gè)地方，或者另外一個(gè)平行宇宙。

陳學(xué)雷表示，即使是拍攝到了黑洞照片，人們對(duì)于黑洞的了解也仍然處于很初級(jí)的水平，距離人們想象中的“星際穿越”“時(shí)空旅行”可能還太過(guò)遙遠(yuǎn)，目前看來(lái)這些設(shè)想基本沒(méi)有可能性。

盡管科學(xué)家們?nèi)绱死硇裕W(wǎng)友們關(guān)于黑洞的“腦洞”一直都沒(méi)有關(guān)上過(guò)。在觀看過(guò)有關(guān)黑洞的科幻電影后，很多網(wǎng)友都開(kāi)始討論“如果真的掉進(jìn)黑洞，過(guò)程和看到的景象是《星際穿越》中所演的那樣嗎？”但一些天文學(xué)家認(rèn)為，在人類和宇宙飛船進(jìn)入黑洞前，就會(huì)被巨大的潮汐力撕碎。但BBC也曾報(bào)道稱，科學(xué)家認(rèn)為，在你落入黑洞的一瞬間，現(xiàn)實(shí)將會(huì)被一分為二。在其中一種場(chǎng)景中，你將瞬間化為灰燼，而在另一種場(chǎng)景下，你幾乎毫發(fā)無(wú)損，并且這兩種情形可能都是真實(shí)的。

或許高深莫測(cè)的黑洞真的會(huì)有奇妙作用，科學(xué)家們對(duì)于它的探索也在繼續(xù)。EHT的參與方、德國(guó)馬克斯·普朗克射電天文研究所所長(zhǎng)安東·岑蘇斯10日對(duì)媒體表示，未來(lái)會(huì)擴(kuò)大陣列望遠(yuǎn)鏡的數(shù)量規(guī)模，提高靈敏度和分辨率，繼續(xù)觀測(cè)兩個(gè)黑洞在不同階段的變化，甚至對(duì)新的黑洞進(jìn)行觀察，拍攝新的、質(zhì)量更好的照片。▲