黑洞“拍照”指南

謝七七

舞臺上，結義、飲酒、醉獅自拍、拍美食、拍美景……比起普通人“一機在手，天下我有”的拍照熱情，科學家可能更熱衷于拍攝神秘的黑洞——盡管百年來從未看過它的真面目。你也許會反駁：“我看過很多黑洞照片！”事實上，你看過的黑洞照片，大概率是科學家基于一些數據，讓藝術家繪制的模擬圖像。雖說天文學家相信幾乎所有的星系中央都存在黑洞，但想為黑洞拍張照，還真沒那么容易！

我們知道黑洞這個“模特”吧，它強大的引力場會引起時空扭曲，連光都會吸進去，真就是黑乎乎一片了，還怎么拍？別急，在黑洞附近有一個范圍稱為事件視界，視界里面的任何物體都無法逃脫黑洞的引力，但視界外面的光還是可以逃脫的。而黑洞附近的恒星由于受到黑洞巨大的引力作用，有些物質會被黑洞吸引，繞著它轉啊轉，還會發光發熱，就形成了一條發光的“腰帶”，被稱為吸積盤。而我們真正要拍的就是視界外面的吸積盤。下面，就跟著科學家學學怎么給黑洞“拍照”吧！

事實上，我們給黑洞拍照有兩個最佳“模特”：質量大且離我們較遠的M87星系中心黑洞和銀河系中心的人馬座A*黑洞。前者距離我們5500萬光年，后者是距地球最近的超大質量黑洞，離我們也有約26000光年。要拍它們，就好比站在地球上拍月球上的一個甜甜圈。

拍攝M87星系中心黑洞，射電望遠鏡的口徑至少要達到8000千米，比地球半徑還要長得多，難道要建一臺比地球還大的望遠鏡嗎？當然不是，聰明的科學家總有辦法：既然一臺望遠鏡達不到這么大口徑，可不可以使用多臺望遠鏡達到這個目的呢？比如，用兩臺相距一定距離的射電望遠鏡組成網絡，它們就合為一個“鏤空”的反射式望遠鏡，二者之間的距離就相當于“鏤空”望遠鏡的口徑了。

按照這個思路，科學家利用甚長基線干涉測量技術，將智利-阿塔卡馬毫米望遠鏡波陣、美國夏威夷-亞毫米波望遠鏡、南極-SPT望遠鏡波陣、美國亞利桑那州-SMT望遠鏡、西班牙-毫米波望遠鏡、美國夏威夷-麥克斯韋望遠鏡、墨西哥 -毫米波望遠鏡、智利-阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡這8臺射電望遠鏡或陣列組成了一架虛擬的、地球尺寸的反射式望遠鏡，即事件視界望遠鏡。這是第一個專為獲取黑洞影像的實驗計劃，簡稱EHT（事件視界望遠鏡）。

2017年4月，足以看清月球上一個甜甜圈的事件視界望遠鏡，正式對準了M87星系中心黑洞和銀河系中心的人馬座A*黑洞。8臺射電望遠鏡都位于高海拔處，因為分布在全球各地，科學家會定個鬧鐘，統一時間去觀測黑洞。當然，他們定的鬧鐘一點也不普通，那是著名的氫原子鐘，數億年才誤差1秒，足以保證觀測的同步。

按下快門，只需要短短1秒，而EHT項目對兩個黑洞“模特”的拍攝也僅持續了10天。真正艱難的步驟，還在后頭。

10天的觀測，匯總的數據已經非常龐大，差不多有3500TB！這么大的內存，網絡肯定傳輸不了，只能通過硬盤來傳輸。然而，即使用1TB的特制硬盤來傳輸，也需要3500個硬盤，疊起來有15層樓那么高。數據處理的工作量之龐大可想而知。

由于南極洲有禁飛期，這些數據等了好幾個月才從南極運出來，送到美國的麻省理工學院和德國的馬克思—普朗克射電天文研究所。僅處理M87星系中心黑洞的觀測數據，科學家就花了2年時間。

如同刑偵畫師通過受害者的描述給罪犯畫像一樣，多個數據處理小組開始為M87星系中心黑洞“畫像”。每個小組用超級計算機合成和分析數據，編纂了前所未有的黑洞模擬數據庫，與觀測結果進行嚴格比對，一點一點從不同角度推算、還原“模特”的真實樣貌，直到提取出數千張照片平均后的效果，黑洞照片才算真正完成。

這一畫就畫了2年。2019年，M87星系中心黑洞照片曝光。人們驚喜地發現，它就像個對稱的甜甜圈。又經過了漫長的3年“沖洗”，我們銀河系中心黑洞的第一張真實圖像，或者說是黑洞周圍環境的直接圖像終于呈現了。漆黑一團的黑洞周圍環繞著一圈黃色發光物質，細瞧，還是像個甜甜圈呢，只是看起來不那么對稱了。

你可能覺得奇怪，為什么銀河系中心的人馬座A*黑洞距離地球更近，照片卻比遙遠的M87星系中心黑洞“沖洗”出來晚了3年？而且還那么模糊？這是因為射電望遠鏡觀測黑洞時，有大量氣體和塵埃干擾，造成觀測時光線散射，像云朵遮住了太陽一樣，看起來就模模糊糊的。而且，黑洞周圍吸積盤里的氣體，繞轉M87星系中心黑洞一周需要幾天到數周時間，但繞轉小很多的人馬座A*黑洞一周只需要幾分鐘。這意味著，人馬座A*黑洞周圍繞轉氣體的亮度和圖案，也在更快速地變化著，給它拍照就像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片，很容易出現重影，“沖洗”處理也更難了。

盡管困難重重，耗時長久，科學家最終還是拍到了這個位于我們星系中心的超大質量黑洞，再次印證了愛因斯坦的廣義相對論。現在，你學會怎樣給黑洞“拍照”了嗎？據說，科學家還打算拍攝一部銀河系中心黑洞的“電影”，讓我們拭目以待吧。