黑洞什么樣？這次有圖有真相

于紫月

黑洞，宇宙中的當紅“大咖”，天文學界、物理學界的“寵兒”。巨大的質量、近乎于零的體積、吞噬一切的引力、無限高的時空曲率，就連光也無法逃脫它的“魔爪”。

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。

過去科學家如何確定黑洞的存在？如今給黑洞“拍照”有何難點？“相機”在哪些方面取得了突破？首次“拍照”黑洞的嘗試，對象選擇有何“訣竅”？

隱形的它刷足存在感

“黑洞體積很小，而且與地球的距離非常遙遠，限于單個望遠鏡的分辨率，我們無法直接看到黑洞。”中國科學院國家天文臺研究員茍利軍告訴筆者。

雖然看不到它，但科學家很早之前就預知了它的存在。早在十八世紀，數學家拉普拉斯等人基于經典的牛頓萬有引力，提出了“暗星”的存在，這可以算是黑洞概念的雛形。1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，給出了后世皆知的愛因斯坦場方程。1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，表明如果將大量物質集中于空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——事件視界面，一旦進入視界面，即使光也無法逃脫。美國物理學家約翰·惠勒將之形象地稱為“黑洞”。

自史瓦西得到黑洞的第一個解之后，許多物理學家也開始投身到對這種“不可思議的天體”的研究中。20世紀30年代，美國的“原子彈之父”奧本海默研究發現，恒星在一定環境下可以坍縮形成黑洞，這種觀點在近幾十年的數值計算中得到了證實。

隨著天文觀測技術的發展，對于天體的研究顯然不會僅僅停留在計算的層面。但問題是，黑洞不同于其他天體，它既然連光都能吞噬，人類又怎能在茫茫宇宙中發現黑洞呢？

“科學家可通過測量黑洞對周圍天體的作用和影響，如吸積盤、噴流現象等，間接觀測或推測黑洞的存在。”茍利軍表示，物質在被吞噬時，會沿螺旋狀軌道靠近并落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤狀的吸積盤。在黑洞的引力下，吸積盤內物質落入黑洞的速度極快，物質之間的摩擦使它被加熱至數十億攝氏度的高溫，從而發出輻射。黑洞“吸食”周圍的天體物質時，部分氣體在被“吃”之前會沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。

吸積盤和噴流都是宇宙中極為明亮的現象。1964年，美國科學家利用探空火箭在天鵝座區域偶然發現了一個非常明亮的X射線天體，科學家將其命名為“天鵝座X-1”。它成為了人類發現的第一個黑洞候選體。此后，人們陸續發現了大量黑洞，這其中包括質量與天鵝座X-1差不多、相當于幾十倍太陽質量的恒星級黑洞，也包括幾十萬、上百萬倍太陽質量的超大質量黑洞。此前有科學家估算過，質量高于10個太陽質量的黑洞數目應該多于1億個。

視界面望遠鏡“大展拳腳”

僅僅通過間接信息來觀測黑洞顯然已經無法滿足科學家們的好奇心了。2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國、西班牙的8臺亞毫米波射電望遠鏡同時對黑洞展開觀測，利用甚長基線干涉測量技術（VLBI）將這8臺望遠鏡構建成一個口徑等同于地球直徑的超級“虛擬”望遠鏡——視界面望遠鏡（EHT）。

“吸積盤的輻射主要是在可見光、紫外以及X射線波段。”茍利軍說，但在吸積盤之外，黑洞周圍還會存在不少高速運動的自由電子，這些速度接近光速的電子在電磁場的作用下會產生射電波段的同步輻射，從而為視界面望遠鏡“拍照”創造了條件。

“本次觀測黑洞的亞毫米波段是射電波段中最短的部分，而虛擬望遠鏡的口徑也擴大到了地球直徑大小，使虛擬望遠鏡的分辨率大為提升，因此可以進行觀測黑洞的嘗試。”茍利軍告訴筆者。

地球直徑大小的望遠鏡是如何煉成的？簡單說來，VLBI是把幾個小望遠鏡聯合起來，達到一架大望遠鏡的觀測效果。“利用VLBI技術將多臺望遠鏡組網觀測時，虛擬望遠鏡的口徑大小取決于其中距離最遠的兩臺望遠鏡之間的距離。”中國科學院國家天文臺研究員陳學雷在接受筆者采訪時表示。

從參與觀測的8臺望遠鏡所處的地理位置來看，西班牙格拉納達市與美國夏威夷莫納基亞山距離超過10000公里，與地球直徑相當。

“兩臺望遠鏡構成一條基線。最長的基線能提供目標天體最細致的細節，而參與組網的望遠鏡越多，基線就越多，就能得到質量越好的合成圖像，讓人們看到目標天體在不同尺度的細節。”陳學雷說。

科學家們付出諸多努力打造出這臺“巨無霸相機”，用了數日進行“拍照”，但“洗照片”的過程卻花費了2年時間。為何“沖洗”時間如此之長？

“這類觀測的數據處理并非只用一套現成的方法。多臺望遠鏡之間的鐘差、望遠鏡自身狀態隨時間的微小改變等問題都會影響觀測精度。另一方面，‘拍照對象黑洞本身也在不斷變化，科學家需要探索新方法對‘相機進行校準，建立模型，以提升合成圖像的質量和精度。”陳學雷指出，數據處理過程中需要根據處理結果不斷調整運算方法，加之數據量巨大，因此用時很長。有報道稱，為了處理這些海量數據，美國麻省理工學院等機構的科學家開發了新算法，以加快數據分析。

工作在射電波段的視界面望遠鏡正在“刷屏”，但我們是否有更好的選擇？中國科學院上海天文臺副臺長袁峰此前表示，如果用光學望遠鏡觀測黑洞需要達到幾公里的口徑，紅外望遠鏡需要達到10～100公里口徑。

“建設數公里甚至數十公里的單口徑光學或紅外望遠鏡顯然工程浩大、難以實現，而‘合眾之力的干涉測量技術在上述領域中的應用也尚不成熟。”陳學雷表示，在目前技術水平下利用大口徑射電望遠鏡“組團”觀測是最為現實的選擇。

選擇“拍照”對象有學問

在目前發現的大量黑洞候選體中，科學家為何會“相中”人馬座A*黑洞和M87星系中心黑洞進行“拍照”？

“這兩個黑洞的視大小是我們所發現的黑洞中最大的兩個。”茍利軍告訴筆者，視大小指我們從地球上觀測天體時，直接看到的天體大小。這取決于天體本身的直徑以及它與地球的距離。同樣大小的天體距離我們越遠，在天空中看起來就越小。

人馬座A*黑洞位于銀河系中心。“相對來說，人馬座A*黑洞并非是我們觀測到的最大質量的黑洞，但是它距離地球最近，被看作研究黑洞物理的最佳對象。”茍利軍表示，M87星系黑洞則以“胖”著稱，其質量估計可達幾十億倍太陽質量。

“以前關于黑洞的證據并不直接，此次‘拍照能獲得最為直接的證據，給兩個黑洞‘驗明正身，確認之前的間接觀測和推測是否正確，也為今后的研究和觀測提供一種檢驗方式。”茍利軍指出。

本次“拍照”還可為一些基礎物理研究提供數據或解釋天文現象成因，如噴流的形成，科學家們希望能夠解釋黑洞自旋是否為噴流提供了能量源。而通過觀察黑洞視界面的大小和形狀，或許能夠首次在超大質量黑洞周圍的極端空間驗證愛因斯坦引力理論。甚至，有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物體，用來驗證其它恒星塌縮理論。

百載汲汲求索，今朝何其幸運能夠見證第一張黑洞照片問世。當然，掀起黑洞甚至更多神秘天體的“蓋頭”，今天邁出的僅僅是第一步，未來我們會一直在路上。