第一張黑洞照片背后的隱秘

編譯 喬琦

第一張黑洞照片，由事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝，并于2019年4月正式向全球民眾公布，這張黑洞照片實(shí)際上包含了一系列內(nèi)嵌的環(huán)狀結(jié)構(gòu)

科學(xué)家提出了一項(xiàng)新技術(shù)，有了它，我們就能夠看到黑洞照片中掩藏著的無數(shù)秘密了。

一年前，一個(gè)由射電天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)震撼了全世界。他們拍攝了第一張黑洞照片。照片上的黑洞就像托爾金小說《指環(huán)王》中的經(jīng)典元素“索倫之眼”一樣潛伏在遙遠(yuǎn)星系的中心。現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)這張照片背后的隱秘要比之前想象的更多。

把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)黑洞，你看到的景象可不只是因物質(zhì)不斷墜入其中而形成的吱吱作響的旋轉(zhuǎn)末日甜甜圈。你還能看到整個(gè)宇宙。來自無數(shù)遙遠(yuǎn)恒星和星系的光線——在抵達(dá)我們的眼睛或望遠(yuǎn)鏡前——像五朔節(jié)花柱周圍的絲帶一樣一圈又一圈地縈繞在黑洞周圍。

“這張黑洞照片實(shí)際上包含了一系列內(nèi)嵌的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，就像浴缸排水管周圍的那些環(huán)一樣。”在哈佛-史密森尼天體物理學(xué)研究中心任職的邁克爾·約翰遜（Michael Johnson）說。

這幅可視化圖像向我們展示了第一張M87星系超大質(zhì)量黑洞照片中的單個(gè)光子環(huán)

2020年3月號的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上發(fā)表了一項(xiàng)研究。這項(xiàng)研究闡述了一種方法，有了它，我們的望遠(yuǎn)鏡就能從各類黑洞“嘴”里撬出更多秘密。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的正是約翰遜博士，他也是這篇論文的主要作者。

他和這篇論文的其他作者還是事件視界望遠(yuǎn)鏡操控團(tuán)隊(duì)的成員。事件視界望遠(yuǎn)鏡其實(shí)是分布于全球的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，正是它拍攝得到了第一張黑洞照片。約翰遜等人操控的這架望遠(yuǎn)鏡觀察到了層層疊疊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但因?yàn)榉直媛什粔驔]能把它們區(qū)分開來。因此，這些層疊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)就模糊成了照片上的單一特征。

參與這個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)家說，這項(xiàng)工作——尤其是在現(xiàn)存事件視界望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)上增加一架空間射電望遠(yuǎn)鏡——可以說為我們對黑洞性質(zhì)的研究提供了新方法、新思路。

“以我的專業(yè)能力看，這篇論文簡直棒極了！”同在哈佛-史密森尼天體物理學(xué)研究中心工作的另一位事件視界望遠(yuǎn)鏡合作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人謝普·多勒曼（Shep Doeleman）在一封電子郵件中如是說。

這篇論文的共同作者、哈佛大學(xué)理論天體物理學(xué)家安德魯·斯特羅明格（Andrew Strominger）說：“著名歷史觀測資料中蘊(yùn)藏著大量錯(cuò)綜復(fù)雜的細(xì)節(jié)，研究它們的壓力迫使我這樣的理論天體物理學(xué)家以全新的方式看待黑洞。”黑洞是個(gè)永恒的無底洞，它們的質(zhì)量大到足以吞噬光線。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的引力理論，尤其是廣義相對論，預(yù)言了這種惹人生厭的天體的存在。愛因斯坦的理論把引力描述為質(zhì)量和能量扭曲時(shí)空的結(jié)果。如果某處的質(zhì)量（能量）過高，那么該處的時(shí)空就會無止境地塌陷下去。

愛因斯坦本人當(dāng)時(shí)都覺得這實(shí)在是太瘋狂了，但天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中其實(shí)到處都是這些“末日生物”。目前看來，似乎所有星系中心都隱藏著一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于數(shù)百萬甚至數(shù)十億個(gè)太陽的超大質(zhì)量黑洞。

所謂“事件視界”就是指黑洞“勢力范圍”的這樣一種邊界：一旦越過了這條邊界，任何事物都會萬劫不復(fù)地落入黑洞內(nèi)部，永遠(yuǎn)不可能折回。以這個(gè)概念命名的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”由坐落于四大洲、六大山脈的八架射電天文臺構(gòu)成。一種叫作甚長基線干涉的技術(shù)將所有這些觀測力量結(jié)合了起來，最終達(dá)到的分辨率相當(dāng)于一架大小為整個(gè)地球的巨型望遠(yuǎn)鏡。在2017年4月的10天里，這個(gè)團(tuán)隊(duì)把事件視界望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了室女座巨型星系M87的中心。那兒有一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于60億個(gè)太陽的黑洞，正在猛烈噴發(fā)出無線電火焰。

就目前我們知道的情況來說，黑洞這種宇宙無底洞周圍縈繞著的氣體溫度高達(dá)幾十億度。這些氣體的合成圖像體現(xiàn)的性質(zhì)符合愛因斯坦理論的預(yù)言。事件視界望遠(yuǎn)鏡所拍攝照片的一份副本已收入紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館的永久攝影收藏中。

不過，多勒曼博士說，事件視界望遠(yuǎn)鏡的工作才剛剛開始。首先，科學(xué)家想要給我們自己銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞拍攝一部電影，原本計(jì)劃在2020年夏天開展的一次嘗試最近因?yàn)樾鹿谝咔榈乃僚岸∠?/p>

多勒曼博士說，如果他們能夠在空間中增設(shè)一架射電觀測天線從而擴(kuò)大事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測口徑，就能提升分辨率，達(dá)到可以看清單個(gè)光子環(huán)的要求。用科學(xué)家的話說，這樣一來，事件視界望遠(yuǎn)鏡就轉(zhuǎn)變成了“一座足以檢驗(yàn)最基礎(chǔ)理論的真宇宙實(shí)驗(yàn)室”。

正如事件視界望遠(yuǎn)鏡的另一位合作者、哈佛大學(xué)的彼得·加里森（Peter Galison）所說，等到能夠窺見這些環(huán)的內(nèi)部細(xì)節(jié)時(shí)，我們看到的其實(shí)就是來自整個(gè)可見宇宙的光線，一部起始于很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的過去的大電影。也就意味著，我們將會看到整個(gè)可見宇宙的歷史。

約翰遜博士說，目前正在設(shè)計(jì)階段的幾架空間射電望遠(yuǎn)鏡能夠滿足需求。一個(gè)是俄羅斯的毫米波天文臺項(xiàng)目（M-光譜望遠(yuǎn)鏡），樂觀估計(jì)能夠在2029年發(fā)射升空。另一個(gè)是起源空間望遠(yuǎn)鏡，目前提交給美國宇航局的計(jì)劃預(yù)定于2035年發(fā)射。

約翰遜博士稱，天文學(xué)家現(xiàn)在尚無法把他們在去年拍攝的M87黑洞的質(zhì)量估算誤差縮小到10%以內(nèi)，也不知道它的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在空間中布置射電觀測天線后，他們就能看清環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將對M87黑洞的質(zhì)量估算誤差縮小到1%以內(nèi)，并且估算這個(gè)黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

他補(bǔ)充說，如果愛因斯坦沒錯(cuò)，那么情況就應(yīng)該是這樣。以其他引力理論為指導(dǎo)，或是將愛因斯坦引力理論應(yīng)用于其他類型的致密天體（蟲洞、裸奇點(diǎn)、玻色子星），得到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)都會大相徑庭。

“所以，這是一種研究星系中心究竟隱藏著什么的新方法，它能得到我們運(yùn)用更大尺度測量方法（比如測量恒星或氣體的軌道）得不到的新內(nèi)容。”約翰遜博士說。

資料來源 The New York Times