給黑洞拍張照

李明子

在電影《星際穿越》中，卡岡都亞是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)物理學(xué)家基普·索恩在科學(xué)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的一個(gè)黑洞。

黑洞長(zhǎng)什么樣子？地球人從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)。

“研究黑洞十多年，最接近我對(duì)黑洞想象的是2014年電影《星際穿越》中卡岡都亞的樣子?！?中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員、黑洞研究創(chuàng)新團(tuán)組負(fù)責(zé)人茍利軍對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

卡岡都亞是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、美國(guó)物理學(xué)家基普·索恩在科學(xué)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的一個(gè)黑洞。但科學(xué)從來(lái)都不僅僅止步于想象。如今，一個(gè)名為“視界面望遠(yuǎn)鏡”（EHT）的國(guó)際合作項(xiàng)目決定給黑洞拍張照。來(lái)自全球30多個(gè)研究所的100多名科學(xué)家，利用分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡，組成一個(gè)口徑尺寸相當(dāng)于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，來(lái)觀測(cè)黑洞的視界面。經(jīng)過(guò)歷時(shí)兩年的觀測(cè)、數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證，首張黑洞圖像將于4月10日公布。

這個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說(shuō)與電影中的神秘天體終于要露出真容了。

手繪、電影與拍照

2008年，美國(guó)麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)助理主任夏普·多爾曼與同事們把位于美國(guó)夏威夷、亞利桑那和加利福尼亞的三個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡連接到一個(gè)系統(tǒng)中。在銀河系中心，他們探測(cè)到“一個(gè)不會(huì)消失的點(diǎn)”，開(kāi)始觀察這個(gè)點(diǎn)周圍的黑洞跡象。后來(lái)，這一團(tuán)隊(duì)越來(lái)越大，逐漸納入全球30多所天文臺(tái)、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和100多位科學(xué)家。他們把這個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目命名為“視界面望遠(yuǎn)鏡”，由多爾曼任負(fù)責(zé)人。

人們可以看見(jiàn)物體是因?yàn)橛泄饩€進(jìn)入眼睛，但黑洞由于其強(qiáng)大的引力作用，就連光都無(wú)法逃脫，因此，它內(nèi)部高度扭曲的時(shí)空也無(wú)法被人看見(jiàn)，“黑洞”的名字也由此而來(lái)。在黑洞周圍，光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”，即視線所能達(dá)到的界面，這也就是多爾曼團(tuán)隊(duì)所要觀測(cè)的目標(biāo)。

茍利軍介紹說(shuō)，通常將黑洞分為兩類，一類是恒星量級(jí)黑洞，相當(dāng)于3～100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，由大質(zhì)量恒星坍縮形成;另一類是超大質(zhì)量黑洞，具有幾十萬(wàn)到上百億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，通常被認(rèn)為是在宇宙形成早期，由恒星量級(jí)黑洞合并和長(zhǎng)期氣體吸積而成。

有時(shí)，恒星量級(jí)黑洞會(huì)將臨近恒星的氣體吸走，這些被吸附的物質(zhì)并沒(méi)有直接掉入黑洞，而是圍繞黑洞中心高速運(yùn)轉(zhuǎn)。劇烈的摩擦釋放出大量光和熱，形成色彩斑斕的吸積盤(pán)，將黑洞標(biāo)記出來(lái)。當(dāng)吸積氣體過(guò)多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場(chǎng)的作用下沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向被拋射出去，形成噴流。

“吸積盤(pán)和噴流這兩種現(xiàn)象，因氣體摩擦產(chǎn)生了光與大量輻射，很容易被探測(cè)到，由此便能推測(cè)出黑洞的位置?！逼埨姼嬖V《中國(guó)新聞周刊》。但要確定一個(gè)天體是否為黑洞，還需要更多的測(cè)量和計(jì)算，理論上講，銀河系中有上億個(gè)恒星量級(jí)的黑洞，但目前已確認(rèn)的只有20多個(gè)，以及四五十個(gè)黑洞候選體。

“視界面望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目拍攝的黑洞有兩個(gè)，一個(gè)是那個(gè)“銀河系中心不會(huì)消失的點(diǎn)”黑洞人馬座A*，另一個(gè)是5000多萬(wàn)光年外的M87星系的黑洞。之所以選中它們，“是因?yàn)樗鼈兊囊暯缑嬖诘厍蛏峡雌饋?lái)是最大的”。不過(guò)，茍利軍解釋，雖然人馬座A*的視界面尺寸有2400萬(wàn)千米，相當(dāng)于17個(gè)太陽(yáng)，但由于相距2.5萬(wàn)光年，在地球上看，它只有針尖大小，如同站在地球觀看月球表面的一顆橙子。而位于M87星系的黑洞雖然距離更遠(yuǎn)，但該黑洞質(zhì)量更大，從地球觀測(cè)到的視界面大小與人馬座A*相差無(wú)幾。

多爾曼并不是第一個(gè)試圖還原黑洞樣貌的科學(xué)家。法國(guó)天體物理學(xué)家讓-皮埃爾·盧米早在1978年就拿出了第一幅黑洞視界面的圖像。不過(guò)，這不是一張真正意義上的照片，而是盧米手繪的。

擁有數(shù)學(xué)背景的盧米利用一款老式晶體計(jì)算機(jī)模擬出觀測(cè)者眼中的黑洞，然后像人形打卡機(jī)一樣，用鋼筆一個(gè)點(diǎn)、一個(gè)點(diǎn)地繪制出來(lái)。圖1顯示出一個(gè)扁平物質(zhì)盤(pán)垂直墜入黑洞時(shí)可能發(fā)生的樣子，物質(zhì)盤(pán)周圍的光因黑洞的強(qiáng)大引力而彎曲。整體看上去像是一頂畫(huà)了一半的草帽。

在盧米之后，越來(lái)越多的人嘗試將黑洞具象化，并試圖搬上銀幕。在電影《星際穿越》中，卡岡都亞黑洞在其背后的恒星場(chǎng)上投下了黑色的陰影，后方的光線由于引力作用發(fā)生彎曲，在黑洞周圍形成明亮的氣體圓環(huán)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)在圖中成為橫亙?cè)诤诙辞暗囊坏拦鈳А?/p>

“卡岡都亞是理想中的黑洞側(cè)視圖，現(xiàn)實(shí)中的吸積盤(pán)可能并不是薄薄一層，也可能因觀測(cè)角度的原因，與黑洞下方的氣體圓環(huán)出現(xiàn)交疊。”茍利軍對(duì)《中國(guó)新聞周刊》介紹說(shuō)，根據(jù)他和其他天文學(xué)家的猜測(cè)，視界面望遠(yuǎn)鏡所拍攝的可能是這樣一幅圖像：在黑洞周圍環(huán)繞著高速運(yùn)轉(zhuǎn)的光子圓環(huán)，并無(wú)限接近視界面，同時(shí)，由于黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)，光子圓環(huán)一側(cè)較亮，另外一側(cè)較暗。

全球行動(dòng)

找到黑洞的藏身之處是拍攝的前提。

“目前通常采用測(cè)量質(zhì)量的辦法確認(rèn)一個(gè)天體是否為黑洞。”茍利軍解釋說(shuō)，如果一個(gè)致密天體的質(zhì)量大于3個(gè)太陽(yáng)，一般就會(huì)確信其為黑洞。具體方式就是通過(guò)測(cè)量周圍天體與中心天體的距離及其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，再利用公式求得中心天體的質(zhì)量。

測(cè)量工作并不容易?？茖W(xué)家們需要盡可能找到一些距離黑洞非常近的恒星，根據(jù)它們的運(yùn)動(dòng)軌跡推斷中心黑洞的質(zhì)量。這對(duì)望遠(yuǎn)鏡提出了更高要求：要觀測(cè)銀河系中心的微小區(qū)域，需要更大口徑的望遠(yuǎn)鏡以提高圖像分辨率，而銀河系中心的大量氣體塵埃會(huì)阻斷光學(xué)波段，因此需要穿透性能比較強(qiáng)的紅外波段或頻率更低的波段。

對(duì)黑洞人馬座A*的測(cè)量可以追溯到1990年代。從1994年到1996年，德國(guó)科學(xué)家在人馬座A*周圍觀測(cè)到39顆恒星，并算出黑洞質(zhì)量約為240萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。但此次質(zhì)量測(cè)量誤差較大。美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)和天文學(xué)教授安德烈婭·米婭·蓋茲同期也在觀測(cè)這一天體。利用口徑更大的望遠(yuǎn)鏡和近20年的努力，她對(duì)黑洞人馬座A*做出了更為精確的測(cè)量：約410萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

法國(guó)天體物理學(xué)家讓-皮埃爾·盧米1978年手繪了第一幅黑洞視界面的圖像。

確定黑洞及其位置后，拍攝又遇到了新的問(wèn)題。相較于恒星到黑洞的距離，黑洞自身的尺寸要小得多，至少是前者的十萬(wàn)分之一，這使得單一望遠(yuǎn)鏡很難達(dá)到拍攝黑洞所需的分辨率。

天文望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡的口徑和觀測(cè)所用的波長(zhǎng)，口徑越大、波長(zhǎng)越短，分辨率越高。為提高分辨率，需要將多個(gè)望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，同時(shí)觀測(cè)，以達(dá)到一架大望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果，這其實(shí)就是視界面望遠(yuǎn)鏡使用的“甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)”，簡(jiǎn)稱VLBI。

所謂VLBI，即讓各射電望遠(yuǎn)鏡采用的氫原子鐘保證時(shí)間同步，同時(shí)接收同一個(gè)射電源的信號(hào)，各自記錄在磁帶上，然后把磁帶的記錄一起送入處理機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，求出觀測(cè)結(jié)果。

“虛擬望遠(yuǎn)鏡的分辨率大小取決于望遠(yuǎn)鏡之間的最大距離，而不是單個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑?！逼埨娬f(shuō)，所選的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡幾乎是全球僅有的同時(shí)擁有亞毫米波技術(shù)與VLBI技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡，分別位于南極、智利（2個(gè)）、墨西哥、美國(guó)本土、夏威夷（2個(gè)）和西班牙。其中，多數(shù)為單一望遠(yuǎn)鏡，如夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT），也有望遠(yuǎn)鏡陣列;而智利的阿塔卡馬大型亞毫米波陣列，則由66個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成。

天文學(xué)家猜測(cè)視界面望遠(yuǎn)鏡所拍攝的可能是這樣一幅圖像。

“位于南極的望遠(yuǎn)鏡拉大了整個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡的口徑，大大提高了分辨率，可以捕捉到更多細(xì)節(jié)?！逼埨娧a(bǔ)充說(shuō)，另一個(gè)十分重要的“望遠(yuǎn)鏡”是位于智利的阿塔卡馬陣列，它提高了虛擬望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，對(duì)亮度較低的物體也能識(shí)別到。

中國(guó)望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有參與其中，是因?yàn)榧夹g(shù)設(shè)備與國(guó)際先進(jìn)水平還存在差距。茍利軍說(shuō)，中國(guó)有兩個(gè)亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，分別位于青海省的德令哈市和西藏的羊八井鎮(zhèn)，但還不具備甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)。而位于中國(guó)貴州的“天眼”FAST在今年1月24日才具備參加深甚長(zhǎng)基線干涉聯(lián)網(wǎng)合觀測(cè)的能力。

不過(guò)，茍利軍透露說(shuō)，在此次觀測(cè)黑洞的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡中，位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡是由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、韓國(guó)天文與空間科學(xué)研究所、日本國(guó)立天文臺(tái)和中國(guó)臺(tái)灣“中研院”天文與天體物理研究所共同管理運(yùn)行的，中國(guó)一部分天文學(xué)者也通過(guò)這個(gè)機(jī)會(huì)參與到項(xiàng)目中。

即便理論很成熟，現(xiàn)實(shí)觀測(cè)中仍會(huì)遇到各種意外，各大洲的天氣狀況、技術(shù)的穩(wěn)定性、海拔，甚至是交通狀況都可能影響觀測(cè)結(jié)果。在2015年《紐約時(shí)報(bào)》對(duì)多爾曼的報(bào)道中，他的兩位同事曾因在墨西哥城遭遇車禍而耽誤觀測(cè)，位于智利的射電望遠(yuǎn)鏡也曾因?yàn)榻邮掌魇ъ`而被送回歐洲修理。

2017年4月5日～14日，視界面望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目在其宣布給黑洞拍照后完成了首次觀測(cè)。由于地球公轉(zhuǎn)，觀測(cè)窗口期只有這10天左右，同時(shí)，由于各望遠(yuǎn)鏡的科研排期，最終留給視界面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)黑洞的時(shí)間只有4～5天。8個(gè)望遠(yuǎn)鏡所在地的海拔都比較高，降雨較少，以避免大氣中水對(duì)觀測(cè)波段的影響。為達(dá)到同時(shí)觀測(cè)的效果，科學(xué)家們還會(huì)在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)提前校對(duì)好原子鐘時(shí)間。

“項(xiàng)目每晚上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可達(dá)2PB ，也就是2000TB， 相當(dāng)于歐洲大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。”茍利軍介紹說(shuō)，龐大的數(shù)據(jù)難以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，需要存儲(chǔ)在磁帶或硬盤(pán)上，因而南極望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)在度過(guò)了半年極夜期后才被送出。所有數(shù)據(jù)被送往美國(guó)海斯塔克天文臺(tái)和德國(guó)的馬普射電天文研究所，分別獨(dú)立匯總和分析。

“結(jié)果將于4月10日公布，在此之前，不能泄露任何信息。”視界面望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目參與者之一，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員、副臺(tái)長(zhǎng)、學(xué)術(shù)委員會(huì)主任袁峰對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

科學(xué)家們對(duì)項(xiàng)目的期待遠(yuǎn)不止于“首張黑洞照片”這個(gè)結(jié)果。中科院國(guó)家天文臺(tái)研究人員陸由俊解釋說(shuō)，照片或?qū)Ⅱ?yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，并幫助科學(xué)家研究黑洞的構(gòu)造。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論從理論上預(yù)言了一個(gè)大致圓形、由光子構(gòu)成的黑洞影子。如果照片足夠清晰，展現(xiàn)出黑洞的所有細(xì)節(jié)，便能證實(shí)廣義相對(duì)論的預(yù)言，若與預(yù)言不同，則說(shuō)明還有需要改進(jìn)的地方。

照片同時(shí)為研究黑洞本身提供了素材，例如其吸積盤(pán)的形成過(guò)程，噴流的方向、速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度等。“這將是目前為止最漂亮的一張黑洞照片，即使不能達(dá)到期待的清晰度，也將讓我們與黑洞本質(zhì)更近一步?！?陸由俊對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。