黑洞“電影”拍攝記

聶云

從2017年4月開始，歷時(shí)兩年，科學(xué)家于2019年4月10日成功拍攝并公布了第一張黑洞照片。兩年之后，科學(xué)家打算更進(jìn)一步拍攝第一部黑洞短片?？梢韵胂?，如果拍攝這么一張黑洞照片都那么難了，那么拍攝一部黑洞短片的難度又是多么地大。

超級(jí)計(jì)算機(jī)制作的短片

這次依然需要來自世界各地的科學(xué)家相互合作，而他們用來拍攝的設(shè)備依然是事件視界望遠(yuǎn)鏡。事件視界望遠(yuǎn)鏡并非是具體的、單獨(dú)的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，而是把世界各地11臺(tái)先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡整合起來的虛擬望遠(yuǎn)鏡。具體的拍攝制作流程大致如下：

首先，安置在世界各地的11臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡先排好順序，然后依次觀測目標(biāo)黑洞。每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡各自觀測半天的時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)到地球的另一面之后，另一臺(tái)恰好轉(zhuǎn)過來、面對目標(biāo)黑洞的望遠(yuǎn)鏡會(huì)接手，繼續(xù)觀測下去。如此循環(huán)，直到每一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都參與其中。每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡觀測的起止時(shí)間和持續(xù)時(shí)間都由目前世界上最精確的原子鐘來記錄（原子鐘每一千萬年才產(chǎn)生1秒的誤差）。

然后，科學(xué)家會(huì)把望遠(yuǎn)鏡觀測并記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在容量超大的硬盤當(dāng)中，把硬盤空運(yùn)到有超級(jí)計(jì)算機(jī)的國家。有的人或許會(huì)提出疑問了，科學(xué)家為什么不直接把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥抢锬?？這是因?yàn)榕臄z黑洞照片7天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就達(dá)5千萬億字節(jié)，相當(dāng)于4萬人一生自拍的照片量，而這樣的數(shù)據(jù)量用目前的光纖可運(yùn)輸不了。比起黑洞照片，黑洞短片的數(shù)據(jù)量只會(huì)更多，所以相關(guān)的數(shù)據(jù)只能先存在硬盤里，然后再空運(yùn)到目的地。

接下來，超級(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)把數(shù)據(jù)先集中處理成一張張更清晰的照片。隨后依照時(shí)間順序把它們排列好。最后，就像把一幀一幀的圖片合成電影那樣，黑洞短片就制作出來了。

這看起來似乎難度不大，但是要拍攝這樣的一部黑洞短片，不僅需要世界各地的科學(xué)家嚴(yán)格按照時(shí)間表來進(jìn)行合作，還要花費(fèi)很多的超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算資源。

既然如此麻煩，而且也已經(jīng)有了照片，科學(xué)家為何還要大費(fèi)力氣來拍攝黑洞短片呢？

照片還不夠清晰

黑洞目前是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的引力最大的天體，其引力大到光線也無法逃離。因此，研究黑洞就不能像研究其他天體那樣，直接憑借它們向外輻射、然后抵達(dá)地球的光線來進(jìn)行研究，科學(xué)家只能另尋他法。

盡管黑洞的引力巨大，但它的引力并非無限大。所以在離開黑洞一段距離的地方，被黑洞吸引的物質(zhì)并不會(huì)被吞噬，而是圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，形成所謂的吸積盤。吸積盤就類似于土星的圓環(huán)那樣。由于吸積盤那里的引力遠(yuǎn)比不上黑洞的，所以這里的光線就能向外輻射，抵達(dá)地球?？茖W(xué)家主要就靠著吸積盤輻射出的光線，來對黑洞進(jìn)行間接地研究。

另外，來自黑洞后方的星系會(huì)向外發(fā)射光線，途經(jīng)黑洞。距離黑洞比較近的光線毫無疑問會(huì)被吸收，不過距離較遠(yuǎn)的光線只是會(huì)被強(qiáng)大的引力“折彎”，然后越過黑洞，繼續(xù)前行。所以科學(xué)家不僅可以靠著吸積盤的光線，還可以利用黑洞后方星系被扭曲的光線來對黑洞進(jìn)行研究。來自吸積盤的和黑洞背后星系的這兩股光線在照片里會(huì)合成一股，也就是那明亮的光環(huán)。

電腦把圖像組合成一部關(guān)于黑洞的電影

來自全球事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家們旨在拍攝銀河系中心黑洞的視頻片段。他們開發(fā)了一種方法，將觀察到的圖像和計(jì)算機(jī)生成的圖像結(jié)合成電影。

但是，正如我們所見，照片里的光環(huán)非常模糊，其實(shí)就連科學(xué)家也從中得不到太多的信息。那么拍攝更高清的照片行不行？遺憾的是，黑洞距離我們地球過遠(yuǎn)，就像抵達(dá)我們視網(wǎng)膜的從遠(yuǎn)處照射而來的手電筒，加上大氣層的削弱作用，我們只能觀察到這樣一個(gè)模糊的光環(huán)。在制造出更加先進(jìn)的設(shè)備之前，無論我們重新給黑洞拍多少張照片，它們的區(qū)別都不會(huì)太大。與其用更多的資源來拍攝更多的照片，倒不如用它們來拍攝一部黑洞短片。而一部黑洞短片，哪怕較為模糊，也可以告訴科學(xué)家更多的信息。

黑洞短片能講訴很多故事

照片與短片之間的區(qū)別，很大一點(diǎn)是一個(gè)是靜止的，另一個(gè)則是動(dòng)態(tài)的。單單看照片，科學(xué)家并不清楚吸積盤里的物質(zhì)是怎么繞著黑洞運(yùn)動(dòng)的。但是如果有了短片，科學(xué)家就能觀察和研究吸積盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，甚至還能觀察“時(shí)間”。

根據(jù)愛因斯坦的相對論，物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，其時(shí)間也就越慢。圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤的轉(zhuǎn)速雖然不是統(tǒng)一固定的，但可以預(yù)料得到，它們的轉(zhuǎn)速都是非常快的。就拿黑洞照片里的M87星系的黑洞來說，根據(jù)科學(xué)家的觀測和計(jì)算，它的體積是太陽的680萬倍，而它的吸積盤最快只需4.8天就能完成一周的公轉(zhuǎn)。

另外，時(shí)空也會(huì)受到黑洞那巨大引力的影響。在以接近光速運(yùn)動(dòng)、以及被巨大引力拉扯的情況下，物質(zhì)是怎么運(yùn)動(dòng)的？時(shí)間又是怎么變化的？也只有短片才能告訴科學(xué)家更多的信息。而且短片也能反過來驗(yàn)證相對論的一些理論。

當(dāng)然，黑洞短片能告訴我們的信息還有更多。它能幫助科學(xué)家探索黑洞的高速等離子噴射流是如何形成的，能告訴我們黑洞是如何成長的。在黑洞成長的過程中，吸積盤是會(huì)越來越近，然后越來越薄，還是越來越遠(yuǎn)，厚度不變，抑或其他的狀態(tài)？而短片至少能對這些問題進(jìn)行一定的解答。

接下來，我們只需等待黑洞短片的制成，看看它能給我們帶來怎么樣的驚喜。