世界首張黑洞“證件照”面世

沈慧

該黑洞距地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍

4月10日晚，包括中國(guó)上海在內(nèi)的全球多個(gè)地方同步公開(kāi)了黑洞“照片”。這是全球200多位科學(xué)家歷時(shí)兩年多、首次利用一個(gè)口徑如地球大小的虛擬射電望遠(yuǎn)鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲的世界首張黑洞圖像。

該黑洞距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍?！笆聦?shí)印證，愛(ài)因斯坦是正確的，他的廣義相對(duì)論經(jīng)受住了考驗(yàn)，得到了首次試驗(yàn)驗(yàn)證?！痹诋?dāng)天舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)說(shuō)。

黑洞不是“洞”

1915年，物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：宇宙中存在一種引力和密度都無(wú)限大的宇宙天體——黑洞。在它周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)，有個(gè)連光線也無(wú)法逃離的勢(shì)力范圍，這一勢(shì)力范圍叫作“事件視界”。

但有關(guān)黑洞的概念，早就有科學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出來(lái)了。

比如，1796年法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯就在著作里寫(xiě)了一段話(huà)：假如有一個(gè)恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽(yáng)大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過(guò)光的傳播速度。恒星本來(lái)應(yīng)該是發(fā)光的，但是從遠(yuǎn)方看這個(gè)恒星，它卻是絕對(duì)黑暗的，你不可能看到它。

關(guān)于黑洞，法國(guó)天文學(xué)家盧米涅也說(shuō)過(guò)一段話(huà)，他說(shuō)：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點(diǎn)，極端到近乎荒唐（指它的一些性質(zhì)用現(xiàn)有的物理學(xué)知識(shí)無(wú)法解釋?zhuān)?。但它又是宇宙?dāng)中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會(huì)使我們進(jìn)入一個(gè)展示時(shí)間、空間、光和物質(zhì)深刻本質(zhì)的更加深邃的新視野?！?/p>

在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，黑洞預(yù)言無(wú)法證實(shí)。這一看不見(jiàn)、摸不著，卻長(zhǎng)久以來(lái)存在于科學(xué)家們想象和推算中的神秘天體，究竟是否存在？“但目前，天文學(xué)家普遍相信黑洞確實(shí)存在于宇宙之中。”中科院上海天文臺(tái)研究員路如森介紹。

中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)表示，質(zhì)量天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分成三類(lèi)：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。而且，超大質(zhì)量黑洞存在于幾乎所有星系的中心。

黑洞有多大？宇宙中可能存在幾乎所有大小的黑洞，從與我們的太陽(yáng)質(zhì)量相同的黑洞，到質(zhì)量達(dá)到數(shù)十億個(gè)太陽(yáng)的黑洞。

黑洞能存在多久？即使黑洞也并非是永久存在的。根據(jù)量子物理學(xué)，在巨大的力場(chǎng)中，正反粒子對(duì)不斷自發(fā)形成。它們瞬間被再次摧毀。

不過(guò)，如果這些粒子對(duì)產(chǎn)生于黑洞的事件視界，那么粒子對(duì)中的一個(gè)粒子就可能落在事件視界以外并逃離黑洞。

英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)描述。這種所謂的霍金輻射導(dǎo)致黑洞在漫長(zhǎng)時(shí)間里十分緩慢地消失。黑洞越大，其消失所需時(shí)間就越長(zhǎng)。

迄今為止僅在理論上被描述過(guò)的微型黑洞會(huì)瞬間消失。

如何給黑洞“拍照”

欲睹黑洞“芳容”，全世界科學(xué)家翹首以待了上百年，因?yàn)榻o黑洞“拍照”太難。

為揭開(kāi)黑洞的神秘面紗，2017年，一項(xiàng)黑洞觀測(cè)計(jì)劃，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）計(jì)劃正式啟動(dòng)。

路如森解釋?zhuān)诙幢旧淼拇_是不發(fā)光的，但是這種被極度壓縮的完全黑暗的天體，因?yàn)閺?qiáng)引力的特性可以讓時(shí)空彎曲，并吞噬周?chē)臍怏w。在此過(guò)程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，氣體的溫度變得很高，進(jìn)而發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。而在這些明亮的氣體襯托下，黑洞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑洞剪影，這一剪影就是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像。

路如森說(shuō)，剪影和發(fā)光的氣體之間會(huì)有一個(gè)分界，也就是事件視界。事件視界比黑洞陰影的尺寸小，大小約400億千米視界之內(nèi)，我們無(wú)法看到，但對(duì)事件視界進(jìn)行拍照，黑洞的樣子也就勾勒出來(lái)了。

按照EHT計(jì)劃，全世界200多位科學(xué)家組成空前龐大的“戰(zhàn)斗陣營(yíng)”，利用全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡及其陣列，組成一個(gè)虛擬的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)。

何以如此興師動(dòng)眾？因?yàn)楹诙淳嚯x我們太過(guò)遙遠(yuǎn)，無(wú)論哪一單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都只能望洋興嘆?！靶蜗簏c(diǎn)說(shuō)，望遠(yuǎn)鏡若想看到黑洞的事件視界，好比我們?nèi)祟?lèi)站在地球去看月球上的一個(gè)橙子。困難程度可想而知?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)，“M87中心的黑洞質(zhì)量巨大，又相對(duì)接近我們，是地球上看過(guò)去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個(gè)完美目標(biāo)?！?/p>

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的分辨率可以達(dá)到多少？一般來(lái)說(shuō)口徑越大分辨率越高。

沈志強(qiáng)說(shuō)，要想看清楚黑洞視界面的細(xì)節(jié)，視界面望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。為此，EHT觀測(cè)使用了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，觀測(cè)波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測(cè)，同時(shí)利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個(gè)口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，分辨率約20微角秒。

虛擬望遠(yuǎn)鏡成功組合只是第一步。這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)。沈志強(qiáng)說(shuō)，在平原上由于信號(hào)弱不適合觀測(cè)，這些望遠(yuǎn)鏡所在的地區(qū)大多是海拔三四千米的山區(qū)，空氣稀薄，若在上面連續(xù)觀測(cè)，對(duì)工作人員來(lái)說(shuō)是項(xiàng)挑戰(zhàn)。

但是更大的挑戰(zhàn)來(lái)自于天氣。因?yàn)橹挥羞@8個(gè)望遠(yuǎn)鏡及其陣列同時(shí)順利觀測(cè)到黑洞，才能達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。而現(xiàn)實(shí)是，留給科學(xué)家們觀測(cè)的窗口期非常短暫，每年大約只有10天。

“以夏威夷地區(qū)為例，去年有兩次觀察期，天氣很好，非常適合觀測(cè)?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)。

多次獨(dú)立的EHT觀測(cè)通過(guò)多個(gè)校準(zhǔn)以及不同的成像方法均揭示了一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影。

“黑洞就像沉浸在一片類(lèi)似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預(yù)期黑洞會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的，可我們以前從未見(jiàn)過(guò)?！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(shuō)，“這個(gè)暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對(duì)光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類(lèi)迷人天體的很多本質(zhì)，也使得我們能夠測(cè)量M87中心黑洞的巨大質(zhì)量?！?/p>

未來(lái)還會(huì)做什么？

“一旦我們成功對(duì)黑洞陰影成像，就可以將觀測(cè)結(jié)果與理論預(yù)言相比較，檢驗(yàn)考慮了時(shí)空彎曲、超高溫及超強(qiáng)磁場(chǎng)等物理性質(zhì)在內(nèi)的大量模型。令人驚訝的是，我們所觀測(cè)到圖像的許多特征與理論預(yù)言相一致。”EHT董事會(huì)成員賀曾樸評(píng)論道，“這使得我們對(duì)觀測(cè)的理論解釋?zhuān)▽?duì)黑洞質(zhì)量的測(cè)量，都充滿(mǎn)信心?！?/p>

拍到震撼人心的黑洞照片，是眾多科學(xué)家團(tuán)結(jié)協(xié)作的結(jié)果。而且，我國(guó)科學(xué)家在其中扮演了不可或缺的角色。他們長(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，在EHT國(guó)際合作形成之前就已開(kāi)展了多方面具有國(guó)際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，我國(guó)科學(xué)家在早期EHT國(guó)際合作的推動(dòng)、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面作出了中國(guó)貢獻(xiàn)。

另外，在EHT全球聯(lián)合觀測(cè)的2017年3月至5月，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測(cè)，為最終這個(gè)M87黑洞成像提供了總流量的限制。

“對(duì)M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國(guó)際合作的終點(diǎn)站?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)，“我們期望也相信在不久的將來(lái)，EHT會(huì)有更多令人興奮的結(jié)果?！?/p>

“我們已經(jīng)做到了上一代人認(rèn)為不可能做到的事情?！碧祗w物理中心哈佛大學(xué)及史密松寧學(xué)會(huì)EHT項(xiàng)目主任謝潑德·多爾曼總結(jié)說(shuō)，“技術(shù)的突破、世界上最好的射電天文臺(tái)之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開(kāi)了一個(gè)關(guān)于黑洞和事件視界的全新窗口?！?/p>