太空突破：人類捕獲首張黑洞照片

編譯 蔡立英

事件視界望遠鏡（EHT）捕獲的首張黑洞照片

天文學家捕獲首張黑洞照片，開啟了人類對宇宙中最神秘天體的一場認知革命。

照片顯示了一個由塵埃和氣體構成的光環，勾勒出了一個巨大黑洞的輪廓，這個黑洞位于距離地球5 500萬光年外的大質量星系M87中心。

什么是黑洞？

100多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，把引力視為由物質和能量造成的時空彎曲，最早預言了黑洞的存在。

愛因斯坦的廣義相對論方程預言，當巨大的物質或能量濃縮到一個地方，時空會塌縮，就會留下一個黑洞，光和物質能進入其中卻無法逃逸。

起初，科學家以為這是數學上的奇妙，而不是真實的天體，但是在過去100年，壓倒性的證據證實了黑洞的存在。

黑洞的邊界被定義為“事件視界”（event horizon），只有速度比光速更快的物體才能逃脫事件視界。據我們目前所知沒有東西比光速更快，因此這是物體無法返回的界面。

塵埃和氣體組成吸積盤，以接近光速的速度繞黑洞運動。很多黑洞吸積物質注定會湮滅，不過也有一些吸積物質會產生高能輻射噴流。

黑洞照片對我們認識黑洞有幫助嗎？

黑洞本身是不可見的，像是一個宇宙暗門，光和物質都無法從中逃脫。但是，最新的天文觀測手段首次把天文學家直接帶到了黑洞的臨界點，照亮了所有已知物理定律都無法逾越的事件視界。

這張突破性的黑洞照片由事件視界望遠鏡（EHT）捕獲，這是由分布在南極、西班牙、智利等地的8個射電望遠鏡組成的網絡，超過200位科學家參與其中。

EHT項目主任、哈佛大學高級研究員謝潑德·德勒曼（Sheperd Doeleman）表示：“黑洞是宇宙中的神秘天體，我們看見了以前我們以為不可見的黑洞，我們拍攝到了一張黑洞照片。”

美國國家科學基金會主席、天體物理學家弗朗斯·科爾多瓦（France Córdova）說，她只在她主持的新聞吹風會上見過這張照片亮相，就已經讓她熱淚盈眶。她說：“我們已經對黑洞研究了這么長時間，有時很容易忘記我們沒有人曾見過黑洞照片，這張照片將在人們的記憶中留下深刻印跡。”

這張照片首次讓人類直接窺見了黑洞吸積盤：由氣體和塵埃構成的甜甜圈形狀的模糊圓環，這些塵埃和氣體正不斷“喂養”圓環中的怪物。

EHT接收吸積盤內粒子發出的輻射，這些粒子在以接近光速的速度繞黑洞旋轉時被加熱到數十億度，然后消失在黑洞中。

照片中的光環之所以呈現為新月狀，是因為吸積盤向地球旋轉的一側的粒子更快地拋向我們，所以看起來更明亮。里面的黑影標志著事件視界的邊界，也就是無法返回的界面，任何光或物質都無法以足夠快的速度逃脫黑洞不可抗拒的引力，逃脫到事件視界之外。

黑洞最早由愛因斯坦的相對論所預言，盡管愛因斯坦本人也懷疑黑洞是否真實存在。從那以后，天文學家已經積累了壓倒性的證據，包括最近探測到雙黑洞碰撞產生的引力波，證明這些宇宙中的神秘天體確實存在。

但是，黑洞是如此小、黑暗，離我們又如此遙遠，直接觀測黑洞要求望遠鏡達到相當于看見月球上的百吉餅的分辨率。這曾經被認為是不可逾越的挑戰。

而此次，EHT通過整合來自8個世界領先的射電望遠鏡的數據，包括智利阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列望遠鏡和南極望遠鏡，獲得了必要的支持，創造出口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡。

當2017年啟動觀測時，EHT有兩個主要觀測目標。第一個目標是位于銀河系中心的人馬座A*黑洞，其質量大約是400萬倍的太陽質量。第二個目標就是此次捕獲的首張黑洞照片的主角，位于星系M87的超大質量黑洞，已經有相當于60億個太陽的光和物質消失在這個黑洞中。

EHT合作組織仍在致力于捕獲銀河系中心人馬座 A*黑洞的照片。杜勒曼表示：“我們希望很快就能獲得人馬座 A*黑洞的照片。”

EHT項目的成功取決于若干地點的天空同時晴朗和8個各地團隊的精誠合作。不同地點的觀測利用氫原子鐘進行協調，精準到每1億年誤差1秒以內。然后，在2017年4月的某個夜晚，萬事俱備、水到渠成。“我們超級幸運，天氣非常完美。”EHT合作組織成員、來自英國倫敦大學學院的齊里·揚斯（Ziri Younsi）說。

這些射電望遠鏡產生的海量數據是前所未有的。EHT項目一個晚上產生的數據就足以填滿半噸硬盤。這就意味著要等半年之后才能拿到南極點的觀測數據，因為只有等到南極的冬季結束，存儲數據的硬盤才能通過海路運出。

這些觀測結果已經讓科學家對黑洞附近的奇異環境有了新的認識，那里的引力是如此強烈，以至于我們所知的現實已經扭曲得超出了我們的認知。

在事件視界上，光在黑洞周圍彎曲成完美的圓圈，這意味著如果你站在那里，你就能看見自己的后腦勺。EHT觀測還提供了迄今對愛因斯坦廣義相對論最嚴格的驗證之一：愛因斯坦的廣義相對論預言，黑洞的光環是圓形，與EHT的觀測結果一致。

關于黑洞噴流的起源，科學家希望了解更多，這些噴流從一些黑洞的兩極以接近光速的速度噴出，可以形成明亮火柱，在廣袤宇宙中呈現。

但是，這些觀測結果尚未揭示黑洞高深莫測的內部結構。

揚斯說：“黑洞不是事件視界，而是隱蔽在事件視界內部的東西。黑洞可能是事件視界內部的什么東西，一個在表面之下盤旋的奇異天體，或者可能是事件視界中心的奇點……或者環形。此次觀測還沒有解釋事件視界里面發生了什么。”

EHT科學委員會主席、來自荷蘭拉德堡德大學的海諾·法爾克（Heino Falcke）說：“對我來說，最大的問題是，我們能否超越那個極限（黑洞的事件視界）。答案是：我們也許能也許不能。這令人沮喪，不過我們必須接受。”

給黑洞“洗照片”：開發關鍵算法的女博士

事件視界望遠鏡的觀測方法稱為干涉測量技術（interferometry），這有點像把卵石扔到池塘里激起漣漪，通過放置在池塘周邊的探測器測量卵石激起的漣漪來重建卵石的結構。類似的，EHT要把來自8臺望遠鏡的所有信號整合并輸入到計算機中，再把海量的費解信號轉變為視覺圖像。

這就提出了前所未有的計算挑戰：因為收集到的數據量是如此巨大，只能存儲在硬盤中，然后統一運送到中心地點：麻省理工學院海斯塔克天文臺，這些硬盤加起來足有半噸重。

開發全新的高級算法是把EHT觀測數據變成圖像的關鍵部分。這不僅需要整合數據，還需要過濾掉像大氣濕度（大氣濕度會導致電波彎曲）等因素產生的噪聲，還要精確同步各地望遠鏡捕獲的信號。

當計算機科學家凱蒂·布曼還是麻省理工學院的學生時，她就開發出了一種新算法，把EHT網絡收集的觀測數據拼接在一起。布曼繼而領導了一系列精心測試，旨在確保EHT獲得的黑洞照片不是某種技術故障或僥幸的結果。在某一個測試階段，需要把合作組織拆分成4個獨立的分析團隊，各自獨立分析數據，直到他們絕對確信各自的分析結果。

布曼說：“我們這個合作組織是集結了天文學家、物理學家、數學家和工程師的大熔爐，正因如此，我們才取得了過去認為不可能的成就。”