世界首張黑洞“證件照”面世

沈慧

該黑洞距地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍

4月10日晚，包括中國上海在內的全球多個地方同步公開了黑洞“照片”。這是全球200多位科學家歷時兩年多、首次利用一個口徑如地球大小的虛擬射電望遠鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲的世界首張黑洞圖像。

該黑洞距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。“事實印證，愛因斯坦是正確的，他的廣義相對論經受住了考驗，得到了首次試驗驗證。”在當天舉行的新聞發布會上，中科院上海天文臺臺長沈志強說。

黑洞不是“洞”

1915年，物理學家愛因斯坦發表廣義相對論，提出了一個大膽的假設：宇宙中存在一種引力和密度都無限大的宇宙天體——黑洞。在它周圍一定區域內，有個連光線也無法逃離的勢力范圍，這一勢力范圍叫作“事件視界”。

但有關黑洞的概念，早就有科學家通過數學公式推導出來了。

比如，1796年法國科學家拉普拉斯就在著作里寫了一段話：假如有一個恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應該是發光的，但是從遠方看這個恒星，它卻是絕對黑暗的，你不可能看到它。

關于黑洞，法國天文學家盧米涅也說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點，極端到近乎荒唐（指它的一些性質用現有的物理學知識無法解釋）。但它又是宇宙當中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會使我們進入一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野。”

在相當長一段時期內，黑洞預言無法證實。這一看不見、摸不著，卻長久以來存在于科學家們想象和推算中的神秘天體，究竟是否存在？“但目前，天文學家普遍相信黑洞確實存在于宇宙之中。”中科院上海天文臺研究員路如森介紹。

中科院上海天文臺臺長沈志強表示，質量天文學家將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介于兩者之間）。而且，超大質量黑洞存在于幾乎所有星系的中心。

黑洞有多大？宇宙中可能存在幾乎所有大小的黑洞，從與我們的太陽質量相同的黑洞，到質量達到數十億個太陽的黑洞。

黑洞能存在多久？即使黑洞也并非是永久存在的。根據量子物理學，在巨大的力場中，正反粒子對不斷自發形成。它們瞬間被再次摧毀。

不過，如果這些粒子對產生于黑洞的事件視界，那么粒子對中的一個粒子就可能落在事件視界以外并逃離黑洞。

英國物理學家斯蒂芬·霍金曾對這一現象進行過描述。這種所謂的霍金輻射導致黑洞在漫長時間里十分緩慢地消失。黑洞越大，其消失所需時間就越長。

迄今為止僅在理論上被描述過的微型黑洞會瞬間消失。

如何給黑洞“拍照”

欲睹黑洞“芳容”，全世界科學家翹首以待了上百年，因為給黑洞“拍照”太難。

為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項黑洞觀測計劃，即“事件視界望遠鏡”（EHT）計劃正式啟動。

路如森解釋，黑洞本身的確是不發光的，但是這種被極度壓縮的完全黑暗的天體，因為強引力的特性可以讓時空彎曲，并吞噬周圍的氣體。在此過程中，氣體的引力能轉化成熱能，氣體的溫度變得很高，進而發出強烈的輻射。而在這些明亮的氣體襯托下，黑洞會產生一個黑洞剪影，這一剪影就是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像。

路如森說，剪影和發光的氣體之間會有一個分界，也就是事件視界。事件視界比黑洞陰影的尺寸小，大小約400億千米視界之內，我們無法看到，但對事件視界進行拍照，黑洞的樣子也就勾勒出來了。

按照EHT計劃，全世界200多位科學家組成空前龐大的“戰斗陣營”，利用全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡及其陣列，組成一個虛擬的望遠鏡網絡，即“事件視界望遠鏡”，同時對黑洞展開觀測。

何以如此興師動眾？因為黑洞距離我們太過遙遠，無論哪一單個望遠鏡都只能望洋興嘆。“形象點說，望遠鏡若想看到黑洞的事件視界，好比我們人類站在地球去看月球上的一個橙子。困難程度可想而知。”沈志強說，“M87中心的黑洞質量巨大，又相對接近我們，是地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個完美目標。”

“事件視界望遠鏡”的分辨率可以達到多少？一般來說口徑越大分辨率越高。

沈志強說，要想看清楚黑洞視界面的細節，視界面望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。為此，EHT觀測使用了甚長基線干涉測量（VLBI）技術，觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠鏡同步觀測，同時利用地球自轉，形成一個口徑如地球大小的虛擬望遠鏡，分辨率約20微角秒。

虛擬望遠鏡成功組合只是第一步。這些望遠鏡分布在各種具有挑戰性的高海拔地區。沈志強說，在平原上由于信號弱不適合觀測，這些望遠鏡所在的地區大多是海拔三四千米的山區，空氣稀薄，若在上面連續觀測，對工作人員來說是項挑戰。

但是更大的挑戰來自于天氣。因為只有這8個望遠鏡及其陣列同時順利觀測到黑洞，才能達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。而現實是，留給科學家們觀測的窗口期非常短暫，每年大約只有10天。

“以夏威夷地區為例，去年有兩次觀察期，天氣很好，非常適合觀測。”沈志強說。

多次獨立的EHT觀測通過多個校準以及不同的成像方法均揭示了一個環狀的結構及其中心的暗弱區域，即黑洞陰影。

“黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的，可我們以前從未見過。”EHT科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說，“這個暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質，也使得我們能夠測量M87中心黑洞的巨大質量。”

未來還會做什么？

“一旦我們成功對黑洞陰影成像，就可以將觀測結果與理論預言相比較，檢驗考慮了時空彎曲、超高溫及超強磁場等物理性質在內的大量模型。令人驚訝的是，我們所觀測到圖像的許多特征與理論預言相一致。”EHT董事會成員賀曾樸評論道，“這使得我們對觀測的理論解釋，包括對黑洞質量的測量，都充滿信心。”

拍到震撼人心的黑洞照片，是眾多科學家團結協作的結果。而且，我國科學家在其中扮演了不可或缺的角色。他們長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次EHT合作中，我國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、后期的數據處理和結果理論分析等方面作出了中國貢獻。

另外，在EHT全球聯合觀測的2017年3月至5月，上海65米天馬望遠鏡和新疆南山25米射電望遠鏡參與了密集的毫米波VLBI協同觀測，為最終這個M87黑洞成像提供了總流量的限制。

“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點站。”沈志強說，“我們期望也相信在不久的將來，EHT會有更多令人興奮的結果。”

“我們已經做到了上一代人認為不可能做到的事情。”天體物理中心哈佛大學及史密松寧學會EHT項目主任謝潑德·多爾曼總結說，“技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創新的算法都匯聚到一起，打開了一個關于黑洞和事件視界的全新窗口。”