黑洞照片是怎么拍成的？中國(guó)參與者解密

陳冰

揭開“黑洞”神秘面紗的那一刻，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員、ETH國(guó)際合作成員路如森激動(dòng)得有些哽咽。“當(dāng)你想象中的東西第一次真實(shí)地出現(xiàn)在眼前時(shí)，真有一種美夢(mèng)成真的感覺。”他在發(fā)布會(huì)后如是說。

仰望星空，遙遠(yuǎn)的“黑洞”從未像今天這樣觸手可及——世界各國(guó)科學(xué)家聯(lián)手“捕獲”黑洞影像，并以一種“天涯共此時(shí)”的奇妙方式聯(lián)袂公布，愛因斯坦廣義相對(duì)論最后一塊缺失的拼圖被找到了！

從觀測(cè)到發(fā)布，全球200多位科學(xué)家歷時(shí)兩年才“沖洗”出這張“高糊”的照片，人們不禁要問，這張“興師動(dòng)眾”的照片究竟是怎么拍出來的？已經(jīng)參與此項(xiàng)目近8年的路如森，作為親歷者，向記者揭開了“黑洞”成像的不凡歷程。

看不見的黑洞怎么“看”？

一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，將時(shí)間和空間結(jié)合為一個(gè)四維的時(shí)空，并提出引力可視為時(shí)空的扭曲。這一理論做出了不少重要預(yù)言，其中之一便是：當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界（event horizon） 之內(nèi)——在這一黑洞的“勢(shì)力范圍”內(nèi)，引力強(qiáng)大到連光都無法逃脫。

天文學(xué)家普遍相信黑洞確實(shí)存在于宇宙之中，并根據(jù)質(zhì)量將宇宙中的黑洞分為恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）三類。

然而直到上世紀(jì)60年代，科學(xué)家對(duì)黑洞都還只能是“說說而已”。畢竟登山家們勇攀高峰的原因是“山就在那里”，可是，天文學(xué)家們根本看不到黑洞，他們又怎么能確定“黑洞就在那里”呢？

黑洞自身不發(fā)光，難以直接探測(cè)，而且黑洞距離地球非常遙遠(yuǎn)，以往的天文觀測(cè)設(shè)備根本看不到黑洞?？茖W(xué)家們只能夠“曲線救國(guó)”，采用一些間接方式來證明黑洞的存在——比如周圍恒星運(yùn)動(dòng)、吸積盤、噴流乃至引力波等等。

在某些時(shí)候，恒星級(jí)黑洞（從3個(gè)太陽質(zhì)量到100個(gè)太陽質(zhì)量大?。?huì)將恒星的氣體撕扯到它自己身邊，產(chǎn)生一個(gè)圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體盤，即吸積盤。當(dāng)吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場(chǎng)的作用下被沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向拋射出去，形成噴流。

吸積盤和噴流兩種現(xiàn)象都因氣體摩擦而產(chǎn)生了明亮的光與大量輻射，所以很容易被科學(xué)家探測(cè)到，黑洞的藏身之處也就暴露了。

不過，理論很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。

以我們的銀河系為例，根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個(gè)恒星量級(jí)的黑洞，可到目前為止，我們只確認(rèn)了20多個(gè)黑洞的存在，此外還有四五十個(gè)黑洞候選體。

要最終真正確認(rèn)一個(gè)天體是否為黑洞，我們還需要做出更多測(cè)量與計(jì)算。要探測(cè)一個(gè)從幾十萬個(gè)太陽質(zhì)量到幾十億甚至上百億個(gè)太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，挑戰(zhàn)就更大了。

所以即使在探測(cè)到引力波、從而權(quán)威性地證明黑洞存在的今天，人類還是沒有直接看到能夠揭秘極端條件下時(shí)空秘密的那個(gè)“洞”——“黑洞事件視界”。

路如森在接受采訪時(shí)說，這或許正是黑洞本身的迷人之處所造成的——黑洞的致密程度讓人難以想象！如果把地球壓縮成一個(gè)黑洞，它的大小和一個(gè)湯圓差不多；而一個(gè)位于距離地球1kpc（約3262光年）處，10倍于太陽質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，其事件視界的角直徑大小只有0.4納角秒。這比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率的億分之一還要小，任何現(xiàn)有的天文觀測(cè)手段都沒有這樣的分辨本領(lǐng)！

不過，在沒能一睹黑洞真容的歲月里，科學(xué)家們還是通過計(jì)算了解到了黑洞的“樣貌”。

上世紀(jì)70年代，科學(xué)家們計(jì)算出了黑洞的圖像。90年代后期，Heino Falcke等人針對(duì)銀河系中心黑洞的情況做了詳細(xì)計(jì)算，并引入了黑洞陰影的說法。他們同時(shí)指出，該黑洞陰影若是“鑲嵌”在周圍明亮的、光學(xué)薄（即對(duì)某一觀測(cè)波長(zhǎng)透明）的熱氣體中，就可以被（亞）毫米波甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）“看到”。這一說法，為科學(xué)家們?nèi)蘸舐?lián)網(wǎng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)打開了一扇窗。

全球望遠(yuǎn)鏡怎么連起來？

早在2017年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時(shí)間。2006年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”啟動(dòng)并記錄下了第一組天文數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)，有三座望遠(yuǎn)鏡使用VLBI技術(shù)進(jìn)行連線觀測(cè)。

隨后，科學(xué)家們通過對(duì)銀河系中心黑洞和M87黑洞的觀測(cè)，確實(shí)在亞毫米波段探測(cè)到了黑洞邊緣處輻射的結(jié)構(gòu)。

“這給了我們很大的信心?！甭啡缟瓕?duì)記者表示，在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實(shí)存在的電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的。

2016年探測(cè)到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對(duì)于更傾向于“眼見為實(shí)”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測(cè)到黑洞還是非常讓人期待的。

所以，在2016年初引力波被直接探測(cè)到之后，路如森和全球其他科學(xué)家們一起，進(jìn)一步推動(dòng)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）項(xiàng)目，特別在進(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利、墨西哥及南極的望遠(yuǎn)鏡，以增加空間分辨率和望遠(yuǎn)鏡基線覆蓋，繼續(xù)觀測(cè)銀河系中心和M87超大質(zhì)量黑洞。

“實(shí)際上，2017年的EHT觀測(cè)基本上在一年之前就已經(jīng)規(guī)劃了。隨著近年來幾臺(tái)毫米波望遠(yuǎn)鏡的陸續(xù)投入，尤其是位于智利的ALMA陣列首次在2017年加入VLBI觀測(cè)，我們從2016年就向ALMA提交了觀測(cè)申請(qǐng)書，申請(qǐng)觀測(cè)時(shí)間。毫無疑問，有吸引力的項(xiàng)目自然會(huì)被打高分，我們當(dāng)然希望在競(jìng)爭(zhēng)激烈的望遠(yuǎn)鏡時(shí)間申請(qǐng)中脫穎而出，獲得更優(yōu)先的觀測(cè)安排。”

可以說，為了能“看見”黑洞，全球200多名科學(xué)家組成的EHT合作組織光是協(xié)調(diào)、申請(qǐng)觀測(cè)各望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間就付出了大量心血。為了各國(guó)科學(xué)家工作的方便，路如森說，自己經(jīng)常是在晚上和美國(guó)、歐洲的同行開視頻工作會(huì)議，一覺醒來，郵箱里又常常是幾十封待處理郵件。而參與該合作的東亞地區(qū)的科學(xué)家們差不多也多是這樣一種工作節(jié)奏?！翱匆姟北澈笫菬o數(shù)看不見也無法量化的巨大付出。

創(chuàng)建EHT是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級(jí)和連接部署八個(gè)現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡來組成全球網(wǎng)絡(luò)，而這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點(diǎn)共計(jì)6個(gè)地區(qū)8個(gè)臺(tái)站，科學(xué)家們以一種愛因斯坦從未想過的辦法去觀測(cè)黑洞——撒出一張大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。

利用這些臺(tái)站，科研人員使用VLBI技術(shù)使各地的射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，并進(jìn)行同步觀測(cè)，同時(shí)利用地球自轉(zhuǎn)組成了一個(gè)口徑如地球大小、觀測(cè)波段為1.3 毫米的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其分辨本領(lǐng)足以讓人能在紐約閱讀位于巴黎一家咖啡館里的報(bào)紙。

“這些望遠(yuǎn)鏡并沒有實(shí)際連接起來。它們之間是借助氫原子鐘進(jìn)行精確計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的‘組網(wǎng)’?！甭啡缟f，“EHT的每一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都記錄了大量的原始數(shù)據(jù)，每秒達(dá)到4GB。8個(gè)臺(tái)站在5天觀測(cè)期間共記錄了約3500TB數(shù)據(jù)，相當(dāng)于近350萬部電影，一個(gè)人至少要幾百年才能看完！”

這些存儲(chǔ)在高性能充氦硬盤上的數(shù)據(jù)，隨后被運(yùn)至分別位于德國(guó)馬普射電所和美國(guó)麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。在那里，研究人員用超級(jí)計(jì)算機(jī)矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號(hào)相干的目的。

之后，利用合作開發(fā)的新型數(shù)據(jù)處理、成像工具和超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，科學(xué)家們對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了近兩年時(shí)間的后期處理和分析，終于捕獲了首張黑洞圖像。

路如森說，多年來事件視界望遠(yuǎn)鏡一直不斷觀測(cè)兩個(gè)目標(biāo)黑洞：一個(gè)是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的400萬倍，距離地球2.6萬光年；另外一個(gè)是位于M87星系中心的黑洞，其質(zhì)量為65億倍的太陽質(zhì)量，距離地球5500萬光年。

“之所以選定這兩個(gè)黑洞作為觀測(cè)目標(biāo)，是因?yàn)樗鼈兊氖录暯缭诘厍蛏峡雌饋硎亲畲蟮?。其他黑洞因?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)或質(zhì)量大小有限，以現(xiàn)有的手段觀測(cè)難度更大。”路如森說。

在事件視界望遠(yuǎn)鏡的陣列中，位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列對(duì)于提高EHT的觀測(cè)靈敏度和整個(gè)EHT數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)處理非常重要——望遠(yuǎn)鏡本身的有效面積越大，靈敏度就越高，ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列將事件視界望遠(yuǎn)鏡的各個(gè)望遠(yuǎn)鏡真正地組網(wǎng)“連接”起來，把EHT的靈敏度提高了約10倍以上。

“如果未來將更多望遠(yuǎn)鏡加入到這個(gè)陣列，我們就能探測(cè)到更弱的輻射區(qū)域，看到更多的細(xì)節(jié)，得到一張更加清晰的黑洞照片?！甭啡缟f。

為什么最終大家看到的先是M87星系中心的黑洞照片，而不是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞照片？

“2017年EHT對(duì)銀河系中心黑洞和M87黑洞都做了首次成像觀測(cè)，但由于事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)來自銀心黑洞周圍的輻射或光子的時(shí)候，這些光子會(huì)受到傳播路徑上星際介質(zhì)的影響——這些物質(zhì)會(huì)散射光子，將觀測(cè)結(jié)果模糊化。同時(shí)，銀心黑洞質(zhì)量較M87小得多，其黑洞周圍輻射結(jié)構(gòu)的變化較快，對(duì)數(shù)據(jù)的分析和最后成像都不如M87來得那么直接。”

有些人會(huì)覺得這就是一張電腦合成圖，路如森用一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻回應(yīng)了一些人的質(zhì)疑?！澳闳メt(yī)院做核磁共振，拿到一張身體某部位置的圖像，你會(huì)說我去做了一次該部位的電腦合成圖嗎？”實(shí)際上，黑洞照片的成像原理和核磁共振的成像原理完全一致。

它反映的并不是我們?nèi)庋劭梢姷墓饩€，而是黑洞周圍在1.3毫米輻射的亮度空間分布。通過得到的1.3毫米射電輻射的亮度分布圖，我們假定不同的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的顏色。

黑色是不是更符合人們對(duì)于黑洞的想象呢？反正，此番科學(xué)家把M87的照片調(diào)成了魔眼色，而電影《星際穿越》中天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞 “卡岡圖雅”則是亮黃色。

中國(guó)做了什么貢獻(xiàn)？

中國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞觀測(cè)和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，EHT國(guó)際合作形成之前就已開展了多方面具有國(guó)際顯示度的相關(guān)工作。

此次合作中，中國(guó)科學(xué)家在早期國(guó)際合作的推動(dòng)、望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)、對(duì)位于夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)支持、后期的EHT數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面作出了自己的貢獻(xiàn)。

中國(guó)境內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)波段（頻率）與此項(xiàng)研究要求的條件不相符，所以此次給黑洞拍照的“攝影師”并不包括中國(guó)境內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡?！安贿^，中國(guó)以另外一種方式共享了JCMT望遠(yuǎn)鏡參與EHT項(xiàng)目。”路如森指出。

現(xiàn)在，有了照片的黑洞終于也有自己的名字了，叫“Powehi”。Powehi是夏威夷語中的一個(gè)詞，意思是“無限創(chuàng)造的黑暗源泉”，它來自于18世紀(jì)描寫夏威夷與宇宙創(chuàng)生歷程中的一首頌歌。巧合的是，EHT項(xiàng)目中有2座位于夏威夷毛納基休眠山上，而M87星系中心黑洞的發(fā)現(xiàn)，更是直接獲益于夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡的大力支持。

路如森指出，觀測(cè)結(jié)果的窗口期也就那么幾天，很幸運(yùn)的是那幾天8個(gè)臺(tái)站的天氣條件都非常適合觀測(cè)?！爸案鶕?jù)兩種方法估算，M87星系的質(zhì)量相差近2倍，也就是說對(duì)應(yīng)的黑洞陰影相差近2倍，如果是較小的那個(gè)數(shù)值，根本就觀測(cè)不到。目前觀測(cè)到的陰影發(fā)現(xiàn)剛好是大質(zhì)量的那個(gè)數(shù)值，真的是非常幸運(yùn)了。”

此外，EHT項(xiàng)目主要資金由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、歐盟歐洲研究理事會(huì)（ERC）和東亞資助機(jī)構(gòu)提供。因此，在資金方面，中國(guó)同樣也提供了相應(yīng)的支持。

“我很早就與中國(guó)科學(xué)家合作研究黑洞，很高興我們能一起慶祝今天的進(jìn)展?！盓HT科學(xué)委員會(huì)主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克說，“在天文學(xué)、射電天文學(xué)、太空天體物理等領(lǐng)域，中國(guó)在這個(gè)全球項(xiàng)目中作出了非常重要的貢獻(xiàn)。”

（摘自《新民周刊》2019年第15期。作者為該刊記者）