揭開黑洞的面紗

黑洞，宇宙中的當紅“大咖”，天文學界、物理學界的“寵兒”。自20世紀開始，人們對黑洞的探秘就從未停止過。然而，經過全球200多位科學家數年的努力，直到今年的4月10日，人們才真正看到第一張黑洞照片。在此之前，黑洞所有的圖片、視頻都是人們根據自己的猜測和想象畫出來的。

為什么要給黑洞拍照？

雖然現代意義上的黑洞已經被預言了一百年，天文學家也發現了很多黑洞存在的證據，比如黑洞吞噬恒星時發出的光，黑洞碰撞時發出的引力波等，但這些都是“間接證據”。只有拍攝到黑洞核心區域——事件視界（一種時空的曲隔界線，可簡單理解為黑洞的邊界）的剪影，才是黑洞存在最直接的證據。給黑洞拍照除了能證明黑洞存在，還有助于我們了解星系中心黑洞的質量、自旋、吸積率、周圍環境和磁場、成長歷史等天體物理問題。人們還可以根據黑洞照片中黑洞周圍發光氣體的形態，推測出黑洞周圍時空的彎曲情況，這有助于人們進一步了解引力理論。

給黑洞拍照有多難？

在回答這個問題之前首先要了解什么是黑洞。黑洞是一種天體，擁有巨大的質量、近乎于零的體積、吞噬一切的引力和無限高的時空曲率，沒有任何東西能夠從黑洞“嘴”里逃脫，即使是宇宙中速度最快的光也無法逃離黑洞。我們之所以能看到物體，是因為有光，但黑洞不但不發光而且還吸收光，所以我們是無法看到黑洞的，只能看到其他東西掉到黑洞事件視界之前發出來的信號。因此黑洞在照片里呈現的形態其實是個影子，只有黑洞附近的環境有光亮時，這個影子才能凸顯出來。但因為宇宙背景本身是黑的，所以要等圍繞黑洞旋轉的恒星氣體，被黑洞吸入，產生大量的光和熱時，我們才能拍攝到黑洞的影子。而且黑洞的體積很小，一個和太陽質量相當的黑洞半徑只有三公里，地球附近也沒有已知黑洞，因此拍攝黑洞就相當于在地球上拍攝月球上的一個乒乓球，難度可想而知。

怎樣才能獲得一張黑洞照片？

首先科學家們要挑選一個看起來盡可能大的目標作為拍照對象，他們需要在“黑洞夠大”和“離我們近”這兩點間找到平衡，于是銀河系中心的超大黑洞人馬座A*，以及5000萬光年以外M87星系中心的另一個超大黑洞成為了本次拍攝的目標。其次是建設合適的望遠鏡。假如人類有一臺超大的望遠鏡，它的口徑跟地球的直徑相當，那么理論上就能隱約看清銀河系中心超大黑洞留下的剪影。只可惜，我們不可能把整個地球改造成一臺望遠鏡。但如果能把分散在世界各地的多臺射電望遠鏡聯合起來，讓它們在同一時間觀測同一個目標，就能擁有像地球那么大的望遠鏡的分辨能力了。于是科學家們發明了一種技術，通過比較距離很遠的幾臺望遠鏡記錄的電磁波相位的差異，來反推天體的圖像（也就是基線干涉技術）。通過這個技術，若干臺相距幾公里的望遠鏡可以聯合成一個陣列，達到一臺口徑幾公里的望遠鏡的分辨率。2012年，天文學家在美國亞利桑那州舉行了首次國際會議，將分散在歐洲、北美、南美、太平洋和南極的8臺射電望遠鏡聯合在一起，組合成了一臺口徑相當于地球大小的“事件視界望遠鏡”（EHT）。

由于多臺望遠鏡之間的鐘差（即設備與標準衛星的時鐘差）、望遠鏡自身產生的微小改變等問題都會影響到觀測精度，且拍照對象黑洞本身也在不斷變化，所以科學家們需要探索新方法對“相機”進行校準，建立模型，以提升合成圖像的質量和精度。經過合并分析8臺望遠鏡數據，與計算機模擬結果進行比對等復雜的“照片沖洗”過程后，科學家們才最終得到了黑洞的圖像。

我們有可能拍攝到更多的黑洞嗎？

此后我們肯定會得到這兩個黑洞更清晰的照片，因為會有更多的望遠鏡加入干涉陣列，也會發明更先進的觀測技術。但未來，能否拍到其他的黑洞，就要看望遠鏡分辨率能否大幅提升了。EHT現在已經很難再提升分辨率了，要想大幅提升望遠鏡分辨率，可能需要用上海天文臺葉叔華院士提議的太空射電望遠鏡，或者在月球背面造一個望遠鏡。無論如何，能見證第一張黑洞照片問世是我們的幸運，希望未來我們能揭開更多神秘天體的“面紗”。