黑洞“電影”拍攝記

聶云

從2017年4月開始，歷時兩年，科學(xué)家于2019年4月10日成功拍攝并公布了第一張黑洞照片。兩年之后，科學(xué)家打算更進一步拍攝第一部黑洞短片。可以想象，如果拍攝這么一張黑洞照片都那么難了，那么拍攝一部黑洞短片的難度又是多么地大。

超級計算機制作的短片

這次依然需要來自世界各地的科學(xué)家相互合作，而他們用來拍攝的設(shè)備依然是事件視界望遠鏡。事件視界望遠鏡并非是具體的、單獨的一個望遠鏡，而是把世界各地11臺先進的射電望遠鏡整合起來的虛擬望遠鏡。具體的拍攝制作流程大致如下：

首先，安置在世界各地的11臺射電望遠鏡先排好順序，然后依次觀測目標(biāo)黑洞。每臺望遠鏡各自觀測半天的時間，當(dāng)轉(zhuǎn)到地球的另一面之后，另一臺恰好轉(zhuǎn)過來、面對目標(biāo)黑洞的望遠鏡會接手，繼續(xù)觀測下去。如此循環(huán)，直到每一臺望遠鏡都參與其中。每臺望遠鏡觀測的起止時間和持續(xù)時間都由目前世界上最精確的原子鐘來記錄（原子鐘每一千萬年才產(chǎn)生1秒的誤差）。

然后，科學(xué)家會把望遠鏡觀測并記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)儲存在容量超大的硬盤當(dāng)中，把硬盤空運到有超級計算機的國家。有的人或許會提出疑問了，科學(xué)家為什么不直接把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥抢锬兀窟@是因為拍攝黑洞照片7天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就達5千萬億字節(jié)，相當(dāng)于4萬人一生自拍的照片量，而這樣的數(shù)據(jù)量用目前的光纖可運輸不了。比起黑洞照片，黑洞短片的數(shù)據(jù)量只會更多，所以相關(guān)的數(shù)據(jù)只能先存在硬盤里，然后再空運到目的地。

接下來，超級計算機會把數(shù)據(jù)先集中處理成一張張更清晰的照片。隨后依照時間順序把它們排列好。最后，就像把一幀一幀的圖片合成電影那樣，黑洞短片就制作出來了。

這看起來似乎難度不大，但是要拍攝這樣的一部黑洞短片，不僅需要世界各地的科學(xué)家嚴(yán)格按照時間表來進行合作，還要花費很多的超級計算機計算資源。

既然如此麻煩，而且也已經(jīng)有了照片，科學(xué)家為何還要大費力氣來拍攝黑洞短片呢？

照片還不夠清晰

黑洞目前是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的引力最大的天體，其引力大到光線也無法逃離。因此，研究黑洞就不能像研究其他天體那樣，直接憑借它們向外輻射、然后抵達地球的光線來進行研究，科學(xué)家只能另尋他法。

盡管黑洞的引力巨大，但它的引力并非無限大。所以在離開黑洞一段距離的地方，被黑洞吸引的物質(zhì)并不會被吞噬，而是圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，形成所謂的吸積盤。吸積盤就類似于土星的圓環(huán)那樣。由于吸積盤那里的引力遠比不上黑洞的，所以這里的光線就能向外輻射，抵達地球。科學(xué)家主要就靠著吸積盤輻射出的光線，來對黑洞進行間接地研究。

另外，來自黑洞后方的星系會向外發(fā)射光線，途經(jīng)黑洞。距離黑洞比較近的光線毫無疑問會被吸收，不過距離較遠的光線只是會被強大的引力“折彎”，然后越過黑洞，繼續(xù)前行。所以科學(xué)家不僅可以靠著吸積盤的光線，還可以利用黑洞后方星系被扭曲的光線來對黑洞進行研究。來自吸積盤的和黑洞背后星系的這兩股光線在照片里會合成一股，也就是那明亮的光環(huán)。

電腦把圖像組合成一部關(guān)于黑洞的電影

來自全球事件視界望遠鏡（EHT）網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)家們旨在拍攝銀河系中心黑洞的視頻片段。他們開發(fā)了一種方法，將觀察到的圖像和計算機生成的圖像結(jié)合成電影。

但是，正如我們所見，照片里的光環(huán)非常模糊，其實就連科學(xué)家也從中得不到太多的信息。那么拍攝更高清的照片行不行？遺憾的是，黑洞距離我們地球過遠，就像抵達我們視網(wǎng)膜的從遠處照射而來的手電筒，加上大氣層的削弱作用，我們只能觀察到這樣一個模糊的光環(huán)。在制造出更加先進的設(shè)備之前，無論我們重新給黑洞拍多少張照片，它們的區(qū)別都不會太大。與其用更多的資源來拍攝更多的照片，倒不如用它們來拍攝一部黑洞短片。而一部黑洞短片，哪怕較為模糊，也可以告訴科學(xué)家更多的信息。

黑洞短片能講訴很多故事

照片與短片之間的區(qū)別，很大一點是一個是靜止的，另一個則是動態(tài)的。單單看照片，科學(xué)家并不清楚吸積盤里的物質(zhì)是怎么繞著黑洞運動的。但是如果有了短片，科學(xué)家就能觀察和研究吸積盤的運動狀態(tài)，甚至還能觀察“時間”。

根據(jù)愛因斯坦的相對論，物體的運動速度越快，其時間也就越慢。圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤的轉(zhuǎn)速雖然不是統(tǒng)一固定的，但可以預(yù)料得到，它們的轉(zhuǎn)速都是非常快的。就拿黑洞照片里的M87星系的黑洞來說，根據(jù)科學(xué)家的觀測和計算，它的體積是太陽的680萬倍，而它的吸積盤最快只需4.8天就能完成一周的公轉(zhuǎn)。

另外，時空也會受到黑洞那巨大引力的影響。在以接近光速運動、以及被巨大引力拉扯的情況下，物質(zhì)是怎么運動的？時間又是怎么變化的？也只有短片才能告訴科學(xué)家更多的信息。而且短片也能反過來驗證相對論的一些理論。

當(dāng)然，黑洞短片能告訴我們的信息還有更多。它能幫助科學(xué)家探索黑洞的高速等離子噴射流是如何形成的，能告訴我們黑洞是如何成長的。在黑洞成長的過程中，吸積盤是會越來越近，然后越來越薄，還是越來越遠，厚度不變，抑或其他的狀態(tài)？而短片至少能對這些問題進行一定的解答。

接下來，我們只需等待黑洞短片的制成，看看它能給我們帶來怎么樣的驚喜。