黑洞照片對于黑洞物理學家意味著什么？

編譯 思羽

在這個歷史性時刻，整個世界都暫停下來，欣賞人類拍下的首張黑洞照片。黑洞是已知宇宙中最怪異的現象，是廣義相對論留下的非凡遺產。讓我感動的不僅僅是照片本身；讓我深深感動的，是與全球陌生人分享這段經歷的意義。讓我感動的，是一個種族注視一個隱約出現在太空中、令人好奇的空洞照片的畫面。

我正在華盛頓的全國新聞記者俱樂部，這兒已經一片激動。事件視界望遠鏡（EHT）項目的科學家多年以來追求的是拍攝超大質量黑洞的首張照片，于是當他們今天召開新聞發布會，將記者和科學家聚在一起時，我們在這里能看見什么已經沒有多少疑問。

然而，還有令人驚異之處。

站在講壇上的是事件視界望遠鏡項目的主任謝潑德·德勒曼（Sheperd Doeleman）。他對我們的歡迎辭是“黑洞愛好者”，讓我想起自己和謝潑德站在麻省理工學院的空教室內的黑板前，我的有趣朋友謝潑德有著一頭顯眼又滑稽的頭發，發色像烤過的桃花心木。那時粉筆灰落在我們身上，我倆學到了愛因斯坦相對論的難學的數學知識。

我們已知曉相對論的標準說法：所有形式的物質和能量讓空間和時間彎曲，光和物質沿著那些曲線移動。這些文字必須憑借信任而接受，但我們能學習它們背后的數學原理。當愛因斯坦構想出相對論時，他交給我們一份在全球范圍內彼此相傳的禮物。相對論與它的字面意義不同，對于我們所有人都是真實的。

我對麻省理工學院里的那面黑板的記憶栩栩如生，這也許是因為那一刻定義了我習得相對論之前和之后的分界。現在我無法想象我的頭腦缺少相對論后會是怎樣。相對論彌散在我的思維中，于是我用相對論來思考，就像作家用他們的自然語言來思考。從在麻省理工學院的那一次交流起，謝潑德和我依靠相對論發現了我們通向黑洞（相對論做出的最引人注目的預測）之路。

人們認為：黑洞是思想實驗的結果，是奇異的想象。想象物質被擠壓成點，不要問如何擠壓的，只需想象該情景。第一次世界大戰時，卡爾·施瓦西（Karl Schwarzschid）加入德國陸軍期間，發現了愛因斯坦相對論的這個可能解答，他可能是在俄國前線的戰壕里計算彈道的間隙做出這個發現。施瓦西推論出，時空實際上會朝著擠壓中心跌落，甚至連以絕對速度奔馳的光也被拽下黑洞，在天空中形成陰影。那個陰影就是事件視界，是外部世界與任何已經墜入黑洞的東西之間的明顯分界線。

愛因斯坦認為，大自然會保護我們，避免形成黑洞。恰恰相反，大自然讓黑洞數目充裕。當一顆衰亡中的恒星質量夠重時，引力克服物質固有的阻力，導致恒星災難性地坍縮。事件視界作為考古記錄而留下來，而恒星的物質繼續墜入黑洞，迎接未知的宿命。我們所在的銀河系可能有數十億個黑洞。

超大質量黑洞的質量是太陽質量的數百萬倍、甚至是數十億倍。幾乎所有星系的中心都是這樣的超大質量黑洞，然而還沒人知道它們是如何形成的，也不知道它們如何變得這么重。也許它們形成于合并的死亡恒星，從而尺寸增大；也許它們是在一個更年輕的宇宙，由更原始的物質直接坍縮形成。無論它們是如何形成的，宇宙中的超大質量黑洞和星系數量一樣多，在人類觀測到的宇宙中有數千億個超大質量黑洞。

在今天之前，我們從未見過黑洞，沒有望遠鏡拍攝的黑洞照片。當黑洞吞噬伴星（companion star）、在扭曲的磁場中為含能射流（energetic jet）提供能量、捕捉軌道中的恒星時，我們從中間接推斷出黑洞的存在。我們甚至已經聽到黑洞碰撞與合并的聲音，它們就像木槌落到鼓上一樣讓時空鳴響。

我們以前從未直接拍攝黑洞的照片，因為，盡管黑洞有破壞和毀滅武器的響亮名氣，尺寸卻很小。與太陽一樣重的黑洞擁有直徑僅6 000米的事件視界。相比之下，太陽的寬度達到1 400萬千米。銀河系中心的超大質量黑洞被稱為“人馬座A*”，它的質量是太陽的400萬倍，但寬度大約只是太陽的17倍。

考慮一下這個挑戰：隔著26 000光年的距離，捕捉到寬度僅是普通恒星17倍的完全漆黑物體的畫像。分辨一張人馬座A*的圖像，難度與分辨月球上1塊水果的圖像相當。

為了分辨這樣極小的圖像，需要整個地球大小的望遠鏡。從在麻省理工學院那間落滿粉筆灰的教室里待過的那段日子起，我的這位完全不循規蹈矩的好友已經打定主意，要捕捉到超大質量黑洞的圖像。

我們還在研究生院學習時，謝潑德的頭發就是他頭腦的象征：無拘無束、生機勃勃。我羨慕他思維方式中的自由，他總是能出人意料地將知識連貫起來，有時以必修課為代價。他的驚愕眼神會提醒我，一個瘋狂的點子在那一刻蹦入他的腦海。

事件視界望遠鏡項目是對大膽想法、科學創新與合作的證明。該項目利用全球的大型射電望遠鏡，依賴最新、最尖端的天文臺，恢復一些荒廢的設施，最終成為一臺地球大小的合成望遠鏡。隨著地球自轉和公轉，目標黑洞進入合成望遠鏡的視野。為了得出精確的圖像，全球的眾多望遠鏡需要統一操作，這牽涉到敏感的時間校正，那樣才會有如地球大小的鏡頭觀測黑洞。

結合多個望遠鏡、獲得更好的分辨率是謝潑德在20世紀90年代的博士論文的基礎。到2008年時，他領導一支小團隊，對尺寸上能與超大質量黑洞相比的天體結構實現成像。這次概念驗證推動了EHT項目，項目團隊如今確信外界要求的分辨率觸手可及。此后的10年里，EHT必須應對數據處理提出的挑戰，從技術上獲得進步，而謝潑德把功勞歸于國際團隊的毅力和集體貢獻的聰明。

超大質量黑洞人馬座A*成為顯而易見的追蹤目標。盡管各星系的超大質量黑洞數量豐富，但所有其他超大質量黑洞都太過遙遠，甚至用地球尺寸的望遠鏡也無法分辨。只有一個例外。M87星系是與地球相距5 500萬光年的巨大橢圓星系，我們知道該星系中有一個令人驚嘆的超大質量黑洞，它的質量大概在太陽質量的35億到72億倍之間。假如它的質量在估測范圍較小的那頭，M87星系黑洞不可能成為EHT的目標；假如在估測范圍較大的那頭，它可能適合。于是，在對人馬座A*的激烈追蹤中，M87成為第二觀測目標。

虛無太空的黑色背景中的黑洞的確看不見。人馬座A*和M87的事件視界的近旁有熱盤（hot disk）作軌道運行，被卷入其中的碎屑有助于讓黑洞顯現。來自于發光軌道物質的光線沿著彎曲空間彎曲，使黑洞后面的光重新射向我們。熱盤似乎圍繞著黑洞，形成明亮對比，讓它的陰影清晰可見。

EHT實際上觀測到的是比事件視界本身稍大的區域。這片區域由最靠近黑洞的位置來定義，光束在這片區域的圓上運行，被稱為“最后的光子軌道”。

黑洞理論家、黑洞觀測家、記者和朋友會聚一堂，分享一張我們早已想象的照片并激動慶祝。但聽到他們宣布說：他們看見的不是人馬座A*，它不是我們要看的黑洞，而是M87時，我們還是大吃一驚。

圖像不會弄錯；與我們太陽系同樣大小的暗影被一塊美麗的亮斑包圍。

盡管照片的科學含義需要時間來展現，一些人類學的沖擊是即刻發生的。EHT收集的來自M87的光在5 500萬年前就朝著地球而來。在那千萬年里，人類出現在地球上，伴隨著人類的神話、各種文化、思想體系、語言和不同信仰。看著M87星系黑洞時，我不禁想起，科學發現超越了這些差異。我們都生活在同一片天空下，我們所有人都生活在這顆淡藍色星球上，飄浮在太陽系中這片天體稀疏的區域中，處在黃色太陽的暖意下，位于稀疏的星辰之海里，位于繞著星系中心的超大質量黑洞的軌道上。

當謝潑德被人問起，他第一次看見M87星系黑洞照片的那一刻在想些什么，他答道：“我們看見了一些如此真實的東西。”這句話對我們所有人來說都是真實的。