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”。