太空突破：人類捕獲首張黑洞照片

編譯 蔡立英

事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）捕獲的首張黑洞照片

天文學(xué)家捕獲首張黑洞照片，開(kāi)啟了人類對(duì)宇宙中最神秘天體的一場(chǎng)認(rèn)知革命。

照片顯示了一個(gè)由塵埃和氣體構(gòu)成的光環(huán)，勾勒出了一個(gè)巨大黑洞的輪廓，這個(gè)黑洞位于距離地球5 500萬(wàn)光年外的大質(zhì)量星系M87中心。

什么是黑洞？

100多年前，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，把引力視為由物質(zhì)和能量造成的時(shí)空彎曲，最早預(yù)言了黑洞的存在。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程預(yù)言，當(dāng)巨大的物質(zhì)或能量濃縮到一個(gè)地方，時(shí)空會(huì)塌縮，就會(huì)留下一個(gè)黑洞，光和物質(zhì)能進(jìn)入其中卻無(wú)法逃逸。

起初，科學(xué)家以為這是數(shù)學(xué)上的奇妙，而不是真實(shí)的天體，但是在過(guò)去100年，壓倒性的證據(jù)證實(shí)了黑洞的存在。

黑洞的邊界被定義為“事件視界”（event horizon），只有速度比光速更快的物體才能逃脫事件視界。據(jù)我們目前所知沒(méi)有東西比光速更快，因此這是物體無(wú)法返回的界面。

塵埃和氣體組成吸積盤，以接近光速的速度繞黑洞運(yùn)動(dòng)。很多黑洞吸積物質(zhì)注定會(huì)湮滅，不過(guò)也有一些吸積物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生高能輻射噴流。

黑洞照片對(duì)我們認(rèn)識(shí)黑洞有幫助嗎？

黑洞本身是不可見(jiàn)的，像是一個(gè)宇宙暗門，光和物質(zhì)都無(wú)法從中逃脫。但是，最新的天文觀測(cè)手段首次把天文學(xué)家直接帶到了黑洞的臨界點(diǎn)，照亮了所有已知物理定律都無(wú)法逾越的事件視界。

這張突破性的黑洞照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）捕獲，這是由分布在南極、西班牙、智利等地的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，超過(guò)200位科學(xué)家參與其中。

EHT項(xiàng)目主任、哈佛大學(xué)高級(jí)研究員謝潑德·德勒曼（Sheperd Doeleman）表示：“黑洞是宇宙中的神秘天體，我們看見(jiàn)了以前我們以為不可見(jiàn)的黑洞，我們拍攝到了一張黑洞照片?！?/p>

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)主席、天體物理學(xué)家弗朗斯·科爾多瓦（France Córdova）說(shuō)，她只在她主持的新聞吹風(fēng)會(huì)上見(jiàn)過(guò)這張照片亮相，就已經(jīng)讓她熱淚盈眶。她說(shuō)：“我們已經(jīng)對(duì)黑洞研究了這么長(zhǎng)時(shí)間，有時(shí)很容易忘記我們沒(méi)有人曾見(jiàn)過(guò)黑洞照片，這張照片將在人們的記憶中留下深刻印跡?！?/p>

這張照片首次讓人類直接窺見(jiàn)了黑洞吸積盤：由氣體和塵埃構(gòu)成的甜甜圈形狀的模糊圓環(huán)，這些塵埃和氣體正不斷“喂養(yǎng)”圓環(huán)中的怪物。

EHT接收吸積盤內(nèi)粒子發(fā)出的輻射，這些粒子在以接近光速的速度繞黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)被加熱到數(shù)十億度，然后消失在黑洞中。

照片中的光環(huán)之所以呈現(xiàn)為新月?tīng)睿且驗(yàn)槲e盤向地球旋轉(zhuǎn)的一側(cè)的粒子更快地拋向我們，所以看起來(lái)更明亮。里面的黑影標(biāo)志著事件視界的邊界，也就是無(wú)法返回的界面，任何光或物質(zhì)都無(wú)法以足夠快的速度逃脫黑洞不可抗拒的引力，逃脫到事件視界之外。

黑洞最早由愛(ài)因斯坦的相對(duì)論所預(yù)言，盡管愛(ài)因斯坦本人也懷疑黑洞是否真實(shí)存在。從那以后，天文學(xué)家已經(jīng)積累了壓倒性的證據(jù)，包括最近探測(cè)到雙黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，證明這些宇宙中的神秘天體確實(shí)存在。

但是，黑洞是如此小、黑暗，離我們又如此遙遠(yuǎn)，直接觀測(cè)黑洞要求望遠(yuǎn)鏡達(dá)到相當(dāng)于看見(jiàn)月球上的百吉餅的分辨率。這曾經(jīng)被認(rèn)為是不可逾越的挑戰(zhàn)。

而此次，EHT通過(guò)整合來(lái)自8個(gè)世界領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡和南極望遠(yuǎn)鏡，獲得了必要的支持，創(chuàng)造出口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡。

當(dāng)2017年啟動(dòng)觀測(cè)時(shí)，EHT有兩個(gè)主要觀測(cè)目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是位于銀河系中心的人馬座A*黑洞，其質(zhì)量大約是400萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量。第二個(gè)目標(biāo)就是此次捕獲的首張黑洞照片的主角，位于星系M87的超大質(zhì)量黑洞，已經(jīng)有相當(dāng)于60億個(gè)太陽(yáng)的光和物質(zhì)消失在這個(gè)黑洞中。

EHT合作組織仍在致力于捕獲銀河系中心人馬座 A*黑洞的照片。杜勒曼表示：“我們希望很快就能獲得人馬座 A*黑洞的照片?！?/p>

EHT項(xiàng)目的成功取決于若干地點(diǎn)的天空同時(shí)晴朗和8個(gè)各地團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作。不同地點(diǎn)的觀測(cè)利用氫原子鐘進(jìn)行協(xié)調(diào)，精準(zhǔn)到每1億年誤差1秒以內(nèi)。然后，在2017年4月的某個(gè)夜晚，萬(wàn)事俱備、水到渠成?！拔覀兂?jí)幸運(yùn)，天氣非常完美?！盓HT合作組織成員、來(lái)自英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的齊里·揚(yáng)斯（Ziri Younsi）說(shuō)。

這些射電望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)是前所未有的。EHT項(xiàng)目一個(gè)晚上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就足以填滿半噸硬盤。這就意味著要等半年之后才能拿到南極點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，因?yàn)橹挥械鹊侥蠘O的冬季結(jié)束，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的硬盤才能通過(guò)海路運(yùn)出。

這些觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)讓科學(xué)家對(duì)黑洞附近的奇異環(huán)境有了新的認(rèn)識(shí)，那里的引力是如此強(qiáng)烈，以至于我們所知的現(xiàn)實(shí)已經(jīng)扭曲得超出了我們的認(rèn)知。

在事件視界上，光在黑洞周圍彎曲成完美的圓圈，這意味著如果你站在那里，你就能看見(jiàn)自己的后腦勺。EHT觀測(cè)還提供了迄今對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論最嚴(yán)格的驗(yàn)證之一：愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言，黑洞的光環(huán)是圓形，與EHT的觀測(cè)結(jié)果一致。

關(guān)于黑洞噴流的起源，科學(xué)家希望了解更多，這些噴流從一些黑洞的兩極以接近光速的速度噴出，可以形成明亮火柱，在廣袤宇宙中呈現(xiàn)。

但是，這些觀測(cè)結(jié)果尚未揭示黑洞高深莫測(cè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

揚(yáng)斯說(shuō)：“黑洞不是事件視界，而是隱蔽在事件視界內(nèi)部的東西。黑洞可能是事件視界內(nèi)部的什么東西，一個(gè)在表面之下盤旋的奇異天體，或者可能是事件視界中心的奇點(diǎn)……或者環(huán)形。此次觀測(cè)還沒(méi)有解釋事件視界里面發(fā)生了什么?！?/p>

EHT科學(xué)委員會(huì)主席、來(lái)自荷蘭拉德堡德大學(xué)的海諾·法爾克（Heino Falcke）說(shuō)：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是，我們能否超越那個(gè)極限（黑洞的事件視界）。答案是：我們也許能也許不能。這令人沮喪，不過(guò)我們必須接受?！?/p>

給黑洞“洗照片”：開(kāi)發(fā)關(guān)鍵算法的女博士

事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)方法稱為干涉測(cè)量技術(shù)（interferometry），這有點(diǎn)像把卵石扔到池塘里激起漣漪，通過(guò)放置在池塘周邊的探測(cè)器測(cè)量卵石激起的漣漪來(lái)重建卵石的結(jié)構(gòu)。類似的，EHT要把來(lái)自8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的所有信號(hào)整合并輸入到計(jì)算機(jī)中，再把海量的費(fèi)解信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X(jué)圖像。

這就提出了前所未有的計(jì)算挑戰(zhàn)：因?yàn)槭占降臄?shù)據(jù)量是如此巨大，只能存儲(chǔ)在硬盤中，然后統(tǒng)一運(yùn)送到中心地點(diǎn)：麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)，這些硬盤加起來(lái)足有半噸重。

開(kāi)發(fā)全新的高級(jí)算法是把EHT觀測(cè)數(shù)據(jù)變成圖像的關(guān)鍵部分。這不僅需要整合數(shù)據(jù)，還需要過(guò)濾掉像大氣濕度（大氣濕度會(huì)導(dǎo)致電波彎曲）等因素產(chǎn)生的噪聲，還要精確同步各地望遠(yuǎn)鏡捕獲的信號(hào)。

當(dāng)計(jì)算機(jī)科學(xué)家凱蒂·布曼還是麻省理工學(xué)院的學(xué)生時(shí)，她就開(kāi)發(fā)出了一種新算法，把EHT網(wǎng)絡(luò)收集的觀測(cè)數(shù)據(jù)拼接在一起。布曼繼而領(lǐng)導(dǎo)了一系列精心測(cè)試，旨在確保EHT獲得的黑洞照片不是某種技術(shù)故障或僥幸的結(jié)果。在某一個(gè)測(cè)試階段，需要把合作組織拆分成4個(gè)獨(dú)立的分析團(tuán)隊(duì)，各自獨(dú)立分析數(shù)據(jù)，直到他們絕對(duì)確信各自的分析結(jié)果。

布曼說(shuō)：“我們這個(gè)合作組織是集結(jié)了天文學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和工程師的大熔爐，正因如此，我們才取得了過(guò)去認(rèn)為不可能的成就。”