史上第一次拍攝黑洞

Holiso

本世紀最重要的科學突破

在銀河系的中心，有一個靠吞噬高溫氣體為生的超級黑洞。它將一切接近它的東西吞噬殆盡——連光也不例外。我們看不見黑洞本身，但可以觀察到黑洞表面視界線（天文學上指黑洞的邊界，在此邊界以內的光無法逃離）留下的投影，而一張黑洞影子的照片，可以幫助我們找到宇宙重要問題的答案。科學家們曾經認為，拍攝這樣一張黑洞的照片需要地球大小的天文望遠鏡——直到凱蒂·伯曼和一支由天文學家組成的團隊想出了一個聰明的解決辦法。

史上首張黑洞照片一經問世，引發全球關注。在這之前，科學家們只能追蹤到光子消失的視界，而真正的黑洞依然是巨大的謎團。被拍攝的黑洞位于M87星系中，距離地球超過5 500萬光年，還有個夏威夷語名字“Powehi”，意指“無限創造的黑暗源泉”。黑洞照片是EHT（事件視界望遠鏡）跨國研究計劃的工作成果。EHT散布世界各地的8臺望遠鏡共同形成與地球一樣大的虛擬數組式望遠鏡，其中2臺就位于夏威夷毛納基休眠火山上。天文學家認為，夏威夷對EHT計劃有重要貢獻，因此，以夏威夷語給首度曝光的黑洞命名。

事件視界望遠鏡的觀測，可以算作本世紀最重要的科學突破。遺憾的是，刷屏多天的照片并不是真正意義上的“黑洞照片”，更合適的解釋是科學家對龐大的觀測數據進行計算，“拼”出了世界上第一張黑洞照片。雖然黑洞是看不見的，但如果以無線電波長放大，我們就會看到一圈光線由圍繞黑洞的等離子體引力透鏡產生，這個黑洞在背后明亮物質的襯托下，留下了一個圓形的暗影，而它周圍的光環勾勒出黑洞邊界的位置，這個邊界稱為事件視界。

廿九芳華，熠熠生輝

沒有人見過真正的黑洞，那么什么樣的圖才像真正的黑洞呢？領導這一團隊的是來自美國麻省理工學院的29歲漂亮小姐姐，她名叫凱蒂·伯曼。凱蒂的父親查爾斯·伯曼是普渡大學的工程系教授，凱蒂從十幾歲起，就申請加入普渡大學科研項目，跟著父親研究計算機成像技術。凱蒂在高中生涯的最后一年，從授課老師口中了解到“事件視界望遠鏡計劃”。這個不經意間聊到的話題一直埋在她心里。高中畢業后，凱蒂考入密歇根大學安娜堡分校學習電氣工程，因為成績優異，獲得美國國家科學基金會獎學金，以最高榮譽身份畢業。2015年，當人類第一次直接探測到雙黑洞并合產生的引力波，“聽”到了黑洞的“聲音”，作為計算機成像工程研究者，凱蒂想親眼看看黑洞。盡管毫無天文學和物理學背景，但這并不妨礙她了解宇宙的興趣。凱蒂把實習地點選在麻省理工學院的海斯塔克天文臺。在獲得了電氣工程及計算機成像科學碩士之后，她終于受邀加入“事件視界望遠鏡計劃”，以初級研究員的身份參與黑洞拍攝。

由于衍射現象（是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象），我們能看到的最小物體是有限制的，而當我們看到的東西越來越小時，望遠鏡需要變得很大。黑洞離我們那么遙遠，即便是地球上功能最強的光學望遠鏡，其分辨率也不足以讓我們看清黑洞。如果有一臺天文望遠鏡能將整個黑洞“拍攝”下來，那這臺望遠鏡的直徑將達到10000千米，但是地球直徑也不過13000千米。要想看到黑洞，我們需要一個和整個地球一樣大的望遠鏡，這無異于天方夜譚。但是，辦法總會有的。假如地球大小的望遠鏡被造出來了，就相當于一個巨大的球形迪斯科燈，每一面鏡子都會收集光線，將這些光線組合成圖片，從而看到清晰的黑洞邊界。假設我們將大多數鏡子移走，只保留幾片，我們仍可以嘗試將信息合成圖片。留下來的這幾片鏡子就是地球上的8臺電波望遠鏡（智利ALMA、智利APEX、西班牙IRAM、夏威夷Maxwell、墨西哥LMT、夏威夷SMA、美國ARO、南極SPT），但它們對于制成一張黑洞照片來說還遠遠不夠。好在地球一直在不停旋轉，這些望遠鏡就可以收集到不同部分的信息，將球形迪斯科燈上的空缺部分填滿，從而“拼”出黑洞照片。

早聞其名，不見其形

歷史上最早提出“黑洞”這一概念是在1795年，著名的法國數學家和天文學家拉普拉斯在一部專著中，根據牛頓萬有引力定律提出，如果有一顆星球，密度與地球相同，但是直徑比太陽大250信，那么在這顆星球的表面，引力將大得使它所發出的光也不能離開它，因而從外面根本看不到它。

1915年，愛因斯坦證明在一個天體的引力場中，如果引力強大到能夠把光都囚禁住，那么牛頓萬有引力定律將不再適用，應該代之以一種新的理論，即廣義相對論。另外，他還在狹義相對論中提出，任何物體的運動速度都不可能超過光速。因此，如果一個天體的引力大到連光也不能離開它，那么，在任何情況下，任何物體也都不可能逃離這個天體。愛因斯坦的引力理論以一個高等數學方程的形式給出。

1916年，德國天文學家史瓦西求解廣義相對論得到一個不可思議的解。后來才知道，那就是具有強大引力，連光也會被吞噬的天體“黑洞”。愛因斯坦的廣義相對論認為引力是時空彎曲造成的。根據愛因斯坦的廣義相對論，當致密天體的全部質量都壓縮到某一范圍內時，它周圍的空間因為引力彎曲到任何物質和輻射都逃不出來時，便形成了黑洞。按照史瓦西的解，如果把一個天體的質量全部壓縮到某一半徑范圍里，它周圍的空間就會極度彎曲，使得引力強大到如拉普拉斯所說，任何物質和輻射都逃不出來。人們后來把這半徑稱為史瓦西半徑。對于太陽質量，計算得到的史瓦西半徑等于2.95千米;而對于地球質量，則半徑為8.9毫米。按照史瓦西的解，在史瓦西半徑范圍內，空間和時間都喪失了原有的特征，用于測量距離和時間的規則也全都失效了，時間趨于無限，而距離變為0。英國天文學家艾丁頓就此說：“這種奇異的時空世界是我們無法在其中進行任何測量的怪物。”

蛛絲馬跡，現出原形

1939年，物理學家奧本海默利用廣義相對論方程，計算出了沒有熱核反應的大質量恒星經過引力坍縮，最終形成黑洞的真實過程。而這種“冷”恒星質量需達到一定程度（奧本海默極限）才能形成黑洞。根據奧本海默的理論，恒星形成黑洞有以下兩個過程：恒星在結束熱核反應后，經歷超新星爆發，其核心質量仍大于奧本海默極限，則直接坍縮形成黑洞;恒星在結束熱核反應后，經歷超新星爆發，其核心質量小于奧本海默極限但形成中子星，外圍殘余物質又繼續落向中子星，積累到大于奧本海默極限后，再度坍縮成黑洞。

黑洞模型在很長一段時間里被認為只是純數學的推導。不過，現在天文學家經過經年累月的觀測，已經獲得許多這類黑洞的間接觀測證據。就拿我們頭頂的銀河系中心的黑洞來說，十幾年前科學家就發現有的恒星繞著銀河系中間的某一個地方轉了一圈，利用“開普勒三定律”就可以把中間的黑洞質量算出來。天文學家在20世紀60年代初發現了一種天體，它們在望遠鏡里看起來只是一個亮點，與恒星沒有什么兩樣，可是離我們的距離達幾十億光年甚至更遠。據此計算它們發射的能量，有的可以超過100個大星系的總和。它們所發射的能量，大部分來自于一個直徑小于1光年的區域。這種天體被稱為類星體，天文學家尚不能直接觀測到類星體的中心究竟是什么，但按照理論模型，類星體很可能是正在形成中的星系的核心，它的中心處應該是個超大質量黑洞。體積足夠小，而質量又大到能讓恒星們圍繞著旋轉的唯一物體，就是超級黑洞，它的密度大到能吸進周圍一切物體，甚至是光。

邊吃邊長，越大越強

黑洞本身不發光，但是它的強大引力場會與周圍的物質相互發生作用，使得這些物質以極快的速度向黑洞墜落，獲得能量從而溫度升得極高，并且壓縮到很高的密度。這些高溫、高密度的物質，會發射出強大的紫外光和X射線。黑洞周圍的物質向黑洞墜落時，不是遵循直線下落，而是漩渦式下落。這些物質會在黑洞周圍形成一個薄圓盤，稱為吸積盤。吸積盤內側物質的運動速度可接近光速，部分物質不會落入黑洞，會沿著與吸積盤的盤面垂直的軸線方向逃逸出去，形成噴流。這種速度接近光速的噴流可以噴射到幾百以至幾千光年遠，天文學家已經在許多類星體和星系的核心附近觀測到這種噴流產生的痕跡。吸積盤中的物質，當然有很大一部分，最終落進了黑洞，黑洞因此會慢慢長大。黑洞吞噬周圍物質的能力與黑洞本身的大小有關。黑洞質量越大，它的引力場就越強大，不僅在同樣時間內能吞噬更多的物質，而且能夠吞噬更遠距離的物質。物質一旦掉進黑洞里面，就再也不可能逃逸出來了。

1975年，英國物理學家霍金經過計算發現，黑澗會緩慢地蒸發。黑洞的這種蒸發現象稱為霍金輻射。霍金輻射會帶走黑洞的能量，按照愛因斯坦的理論，能量和質量是等價的，它們可以互相轉化。隨著時間流逝，黑洞的質量越來越多地轉化成能量蒸發掉，最終黑洞將會消失。黑洞蒸發的速度也與黑洞的質量有關，質量越小的黑洞，蒸發越快。很明顯，如果黑洞很小，吞噬周圍物質的能力就很弱，而且在近距離內沒有足夠多的物質供它吞噬長大，那么它很快就會消失。

黑洞存在于千萬光年外，遍布整個宇宙，之前卻從未在人類面前露出過真容。

人造黑洞，鴻溝難越

天文學家認為，每個星系都是在一個超大質量黑洞的周圍建立起來的。現在，天文學家已經取得了比過去任何時候更強有力的證據，他們根據一個星系內恒星繞星系中心旋轉的速度，可以推斷出這個星系中心天體的質量。對于包括銀河系在內的一些星系，已經測量出在它們中心只有太陽和地球間距離幾倍大的空間中，集中了幾百萬、上千萬倍太陽的質量，從而表明了在這空間中物質的密度極高，只可能是一個黑洞。這種超大質量黑洞不是單顆恒星內部的物質坍落形成的，而是星系形成過程的產物。

那么，我們能不能在實驗室里制造黑洞呢？不論在實驗室里，還是在理論上，目前還找不到一種方法，能夠使物質的密度變得像黑洞那樣高。可是，根據愛因斯坦的質能方程，當大量的能量集中于一點時，也應該會出現黑洞。科學家要在實驗室里制造黑洞，只能循著這一途徑。日內瓦歐洲原子核研究中心的大型強子對撞機，是世界上最強大的粒子加速器，它能以14萬億電子伏的撞擊能量把質子打碎。這么強大的能量是不是已經足以生成一個哪怕非常微小的黑洞呢？很遺憾，按照我們原有的關于粒子以及粒子相互作用的知識，以這種方式制造一個黑洞的最小能量，是上述大型強子對撞機所能產生的能量的1億億倍。建造一個能夠達到這么高能量的粒子加速器的可能性實際上永遠為零。

黑洞是整個天文學和物理學最前沿的一個課題，就像所有新發現一樣，這只是一個開始。中國2017年已經發射了第一顆X射線衛星，2021年會發射一顆愛因斯坦探針衛星，2025年會發射慧眼第二代衛星，這幾顆衛星會為黑洞研究提供非常大的幫助。