黑洞露臉

劉安立

2019年4月10日，北美東部夏令時間大約早晨9點，地球人首次得以和黑洞面對面——科學家公布了視界望遠鏡（由8部射電望遠鏡組成的網絡）對大約5500萬光年外的M87星系中央黑洞的首批探測結果，即這個相當于65億倍太陽質量的超大質量黑洞的光譜輪廓（視界輪廓）。科學家說，這是他們首次拍攝到黑洞照片。

黑洞照片看似平淡實際上很出彩

由于黑洞非常致密，質量極大，因此不會有能逃離黑洞巨大引力的光線，這意味著黑洞輪廓照片已經是能拍攝到的最佳黑洞照片。這些新照片的清晰度足以分辨黑洞視界的驚人輪廓。所謂視界是指一個邊界，過了這個邊界就連以光速穿行的物體也無法逃離黑洞引力。之所以能得到這種背光照片，是因為在黑洞周圍存在被扭曲的光線和環繞黑洞的超高溫和明亮的氣云。多年來科學家畫出了無數對黑洞的想象圖。與這些想象圖相比，第一批黑洞照片并不“出彩”。黑洞的這些真實寫照就好像是用老式相機拍攝的模糊火圈，而且照片上有污點。但考慮到黑洞令人難以捉摸的本質，這些照片在科學家眼中卻美得出奇。

對黑洞的嚴肅研究好幾十年前就開始了。但在這次拍攝黑洞照片之前，科學家不可能直接觀測黑洞。為了確定黑洞位置，科學家依賴間接觀測手段，例如追蹤環繞黑洞的恒星或氣云的異常軌跡，然后推測這些軌跡內部的天體。這一工作的難度之大，就好比從蛋糕烤箱本身猜測蛋糕味道。這樣探測到的數據自然有種種缺陷，只能說明黑洞“應該”存在。但即便如此，科學家還是一直在優化對黑洞實際樣子的預測模型。看到第一批黑洞照片，科學家的感覺是驚人的熟悉。換句話說，他們早就想到了真正的黑洞就是這個樣。

拍攝黑洞強強聯合形成卓越視覺

參與視界望遠鏡網絡的天文臺分別位于南極洲、歐洲、南美洲、非洲、北美洲和大洋洲。所有參與進來的望遠鏡都必須直接對準被觀測目標，以測量該目標附近的活動。其中每個望遠鏡團隊都必須研發自己的模型，并相互比較。最終，每個團隊的硬盤驅動器都被送到位于美國馬薩諸塞州波士頓郊外的海斯塔克天文臺進行處理，以獲得黑洞剪影。早在2017年4月，視界望遠鏡網絡就獲得了M87的黑洞數據。接下來，一個科學團隊花了兩年時間來編輯和檢驗探測數據。通過分布于全球的天文臺陣列，視界望遠鏡相當于一部和地球本身一樣大的超大望遠鏡，足以分辨幾千萬光年外的天體。科學家說，視界望遠鏡的放大程度就好比站在美國華盛頓特區看清洛杉磯市一個房間內部的情況。基本上，視界望遠鏡的“視力”是眼力最好的人的大約300萬倍。

在大約持續兩周的觀測過程中，網絡中的每一部望遠鏡都能采集超大量數據，相當于4萬人一生的所有自拍照。把這些望遠鏡強強聯合，視界望遠鏡團隊得以產生躺在M87中心的黑洞（以下簡稱M87黑洞）的陰影照片。

加入視界望遠鏡網絡的一部分大型望遠鏡。

40年前就測準黑洞模樣

40年前，科學家創制的第一幅黑洞模擬圖像竟然非常接近黑洞的首批實拍照。這幅模擬圖由法國科學研究中心的年輕科學家魯米奈特制作，它在1979年被發表時在世界范圍內造成影響。它之所以很有創新性，是因為當時科學界對黑洞是否存在都有爭議。

魯米奈特博士的黑洞模擬圖并非是藝術家想象圖，而是基于當時猜想的黑洞及其氣盤的物理特征和愛因斯坦廣義相對論。運用電腦數據，魯米奈特在一張白紙上用手畫了數千個黑點，然后采用照相底片制作出最終圖像。他當時就想象了一個發光吸積盤中心的一個黑圈（當時還沒有把這個圈像今天這樣稱為黑洞剪影），并且這個吸積盤的一側亮度明顯大于另一例。這是因為有兩種效應（即愛因斯坦效應和多普勒效應）在頻移來自吸積盤并到達地球的輻射。愛因斯坦效應描述黑洞引力場怎樣扭曲到達地球的光線，這一扭曲導致來自黑洞背后吸積盤部分的光線看上去像是來自黑洞前方。多普勒效應描述環繞黑洞飛奔的氣體在朝向地球時怎樣變得更亮，該效應是由環繞黑洞的吸積盤旋轉造成的。這些特點在視界望遠鏡拍攝的黑洞照片上都能見到，這就證明了魯米奈特的黑洞模擬圖很準確。在魯米奈特團隊1991年發表的黑洞模擬升級圖像中這些特點更是明顯可見。在升級圖中，添加了凸顯多普勒效應和非對稱性的橘色著色。

天才女生想出關鍵方法

科學家這次能拍攝黑洞照片，在很大程度上要歸功于美國麻省理工學院的一名女生。現年29歲的博士凱蒂（右）3年前創制了一種算法，它能采集來自全球望遠鏡的數據并拼接出M87黑洞照片。正是凱蒂的工作把地球變成了一部虛擬望遠鏡。如果沒有她的算法，就根本不可能捕捉到M87黑洞圖像，因為需要一部直徑1萬千米的射電望遠鏡才能達到虛擬望遠鏡的分辨力。目前全球最大的射電望遠鏡直徑只有500米左右。凱蒂2017年在麻省理工學院獲得博士學位。她將在加州理工學院擔任助教，研究方向是電腦成像。她的工作將填補視界望遠鏡拍攝的黑洞照片中的空白。

重大意義愛因斯坦預測終獲證實

迄今為止，科學家對黑洞視界以內的情況只能進行理論預測。但我們終于證實了黑洞的存在，這當然是個偉大的開端，是百年來最偉大的科學大發現之一。

M87黑洞的質量哪怕按照超大質量黑洞的標準來看也堪稱巨大。這個黑洞的體積幾乎和太陽系一樣大。科學家說，黑洞在塑造星系中的最大結構方面起了關鍵作用，正是黑洞讓星系成了今天所見的樣子。通過觀測黑洞，可以更好地了解黑洞對星系歷史，乃至地球和人類歷史有什么影響。

雖然黑洞的第一批實拍照片看上去與以往的黑洞想象圖很像，因此好像僅僅是證實了之前的想象無誤，但實拍照的真正意義在于它們看來證實了愛因斯坦當初對廣義相對論的一些預測。愛因斯坦首次提出廣義相對論至今己過百年。根據這一理論，像地球這樣的大質量物體會很微妙卻又可被探查到地扭曲時間和空間，就像是墊子下面有一顆討厭的豆子。引力本身源自這一時空曲率。但在愛因斯坦等式的極端層面，存在著就連愛因斯坦自己一度也認為荒謬的一個預測——如果一個物體足夠致密，它就可能把時空轉變成一種胃口大到無法想象的宇宙流沙坑，就連光線都不可能逃出這個坑——黑洞。

視界望遠鏡所拍攝到的黑洞的詭異閃光其實是黑洞的自身活動跡象。黑洞并不是休眠的魔獸——它們一直在吞噬氣體和宇宙物質。隨著這些天體物質環繞黑洞，它們會升溫，像云（其質量可探測到）一樣包裹黑洞視界，發出光爆。在視界外距離視界最近的地方，引力強大得足以把光線路徑彎曲成像是一只發光的炸面圈的形態。M87黑洞的光影形狀和大小符合廣義相對論的預測，這就證實了廣義相對論的預測正確。但環繞黑洞的光圈并非完美對稱——有一半比另一半明亮。科學家推測，這可能是由這些物質和黑洞本身的旋轉引起的。

未解之謎先有黑洞還是先有星系

視界望遠鏡在地球上探測到的其實是M87黑洞發射的無線電波。這些高能光波能到達地球，這本身就是一大奇跡。這些光波必須躲開視界的“血盆大口”，穿越幾千萬光年的星系際空間，最后還得避開被地球大氣層中蒸汽的吸收。波長為1.3毫米的無線電波剛好能完成這種非常嚴酷的旅程，而視界望遠鏡要探測的正好是這樣的無線電波。實際上，那顆討厭的引力豆子不是在一張墊子上被感受到，而是在幾百萬張墊子上都被感受到了。

當然，拍攝到M87黑洞還只是開始。采集到M87黑洞數據的那些望遠鏡只是視界望遠鏡網絡中的一個分支而已，而來自M87黑洞的無線電波也只是該網絡探測目標的一部分。在探測M87黑洞的同時，科學家也在密切追蹤距離地球更近的人馬座A*黑洞。這個黑洞位于我們所在的銀河系中心，距離地球2.6萬光年。

在科學家宣布成功拍攝到M87黑洞照片的同時，美國宇航局的錢德拉太空天文臺（望遠鏡）和一顆人造衛星觀測到M87黑洞以接近光速噴射高能粒子流，噴射距離超過1000光年。美國宇航局的觀測旨在測量M87黑洞射流的X射線亮度，并與視界望遠鏡觀測結果及模型進行比較。黑洞的一大奧秘是：為什么有一些黑洞有射流，而理論預測黑洞中物質無法逃逸？科學家希望，對黑洞的最新觀測有助于回答這類長期未決的疑問。構成M87黑洞射流的高能粒子是從視界附近一個區域射出的，射流明暗度神秘變化。x射線有助于科學家把視界附近粒子活動與通過望遠鏡觀測到的情況聯系起來。

關于黑洞，還有很多未解之謎。超大質量黑洞有可能存在于所有較大星系中心，但黑洞來源依然不明，也就是有個“先有雞蛋還是先有雞”的問題：黑洞可能出生于新近誕生的星系，但也有可能是黑洞在星系本身的形成中起作用。另外，雖然M87黑洞的歪斜視界本身就是一個奇跡，但真正的奧秘在于黑洞深淵發生著什么。科學家推測，在黑洞的核心，物質被剝離成最基本形式，已知的物理學法則可能不成立。

什么是黑洞

黑洞是非常致密、引力非常強大。以至于包括光線在內的任何輻射都無法（從黑洞）逃離出去的天體。黑洞作為超強引力源，吸引塵埃和氣體環繞自己。黑洞的強大引力被認為是星系申恒星環繞運動的動力。科學家對黑洞形成原圜很不清楚。有一種推測是，比太陽大10萬倍的一團氣云可能坍縮成一個種子黑洞。許多這樣的種子黑洞可以合并成質量大得多的超大質量黑洞。每個已知的超大質量星系中心都存在超大質量黑洞。另一種推測是，超大質量黑洞可能源自一顆大約為100倍太陽質量的巨恒星，該恒星在燃料耗盡并坍縮時形成黑洞。這些巨恒星死亡時也會經歷超新：星階段，即在一場巨大爆發中把恒星外層物質噴射到深空。

什么是事件視界

事件視界是指黑洞周圍沒有任何光線或其他輻射可以逃離的理論邊界。當任何物質過于靠近黑洞視界時，其原子都會被剝離，其中原子核消失在視界下方，而輕得多的電子則被困在黑洞極強的磁場中.并高速旋轉。這種圓周運動讓電子釋放出光子。黑洞附近物質向外排放的也主要都是光子。

什么是射電望遠鏡

射電望遠鏡是指用于接收來自天空中天文無線電波源的無線電波的專業化天線和無線電接收器。射電望遠鏡是射電天文學采用的主要觀測工具，用于研究由天體發射的電磁光譜中的無線電頻段：正如光學望遠鏡作為傳統光學天文學的主要觀測手段，研究來自天體的光譜中的可見光頻段。射電望遠鏡基本上就是大型拋物面（碟形）天線。這種天線與人造衛星和太空望遠鏡上采用的跟蹤和通信天線相似。射電望遠鏡可以單獨使用，也可以串連成天線陣。與光學望遠鏡不同，射電望遠鏡可不分晝夜全天候使用。由于行星、恒星、星云和星系等天文無線電源（射電源）都非常遙遠.它們發出的無線電波到達地球時已極度微弱，因此射電望遠鏡需要很大的天線和極度敏感的接收器來采集足夠的射電能量以研究射電源頭。射電觀測最好遠離人口中心，以避開來自收音機、電視、雷達、機動車及其他人造電器的電磁干擾。

來自太空的無線電波由美國貝爾電話公司（位于美國新澤西州）的一名工程師在1932年首次探查到，他的探測工具是用于研究無線電接收器噪聲的天線。第一部射電望遠鏡是一部直徑9米的碟形天線，在1937年由一名美國無線電業余愛好者在位于美國伊利諾伊州的自家后院里建成。他進行的巡天調查常常被認為是射電天文學的開端。