“視界望遠(yuǎn)鏡”會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)什么樣的黑洞？

“視界望遠(yuǎn)鏡”拍到的照片會(huì)是這樣的嗎？Andrew Chael

人類可能很快就會(huì)第一次看到黑洞的真容。參與“視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目的科學(xué)家宣布將在4月10日發(fā)布一個(gè)“突破性成果”。人們期待這一成果已經(jīng)有2年，而它也許就是一張黑洞的照片。

我們不知道4月10日究竟會(huì)看到怎樣一張照片。但科學(xué)家對(duì)于黑洞的外觀，其實(shí)已經(jīng)有很多想法。天文學(xué)家多年來一直在用計(jì)算機(jī)，基于物理學(xué)定律和基本的假設(shè)，來模擬“奇點(diǎn)”附近的景象。黑洞的真容，或許會(huì)與這些模擬出來的景象之間存在一些關(guān)聯(lián)。

M87星系中心超大質(zhì)量黑洞模擬圖。右圖可能會(huì)更接近于真實(shí)照片。Andrew Chael

這兩張圖片是哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家Andrew Chael制作的。圖片模擬了M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞。左圖是模擬景觀，右圖同樣也是，但右圖加了更接近現(xiàn)實(shí)的考慮，還原了光線在真實(shí)的宇宙中被星際氣體、塵埃吸收和散射的必然命運(yùn)?！耙暯缤h(yuǎn)鏡”拍到的照片，可能會(huì)更接近右圖。

銀河系中心超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*”模擬圖。最左邊的圖是純粹的模擬，而另外三張加上了光線被散射后的效果。Astrophysical Journal

這一系列圖片，模擬的是銀河系中心超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*”。同樣，最左邊的圖片呈現(xiàn)的是未受星際介質(zhì)影響的視覺效果，右側(cè)三張呈現(xiàn)了受塵埃散射后的效果。第三和第四張圖片呈現(xiàn)的，則是在特殊濾鏡協(xié)助下，塵埃散射效應(yīng)被部分消除后的效果。

這些黑洞模擬圖中的亮環(huán)是黑洞的積吸盤。物質(zhì)聚集在黑洞周圍，會(huì)以黑洞為中心，在黑洞的赤道面上，形成一個(gè)扁平的圓盤。這些物質(zhì)會(huì)環(huán)繞黑洞運(yùn)行，逐漸靠近黑洞，并在此過程中加速，直至變得極為明亮。

如果積吸盤側(cè)對(duì)著觀測(cè)者，或有一定的角度，那么它的一側(cè)會(huì)顯得較為明亮，另一側(cè)會(huì)較暗。原因就是這些物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致積吸盤物質(zhì)面朝觀測(cè)者方向運(yùn)行而來的部分發(fā)出的光線波長(zhǎng)被壓縮，頻率變高，展現(xiàn)在照片中，一般會(huì)顯得較為明亮；而背朝觀測(cè)者方向而去的部分發(fā)出的光線，波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，頻率會(huì)變低，展現(xiàn)在照片中，會(huì)顯得較為昏暗。

照片正中的黑色空洞就是黑洞本人了。所謂的“奇點(diǎn)”就在這個(gè)空洞中。黑洞由于引力極大，因此其勢(shì)力范圍邊界以內(nèi)的光線根本無法逃離。這個(gè)黑色空洞的邊界就是所謂的“視界”。

在我們看到的這些圖片中，最接近真實(shí)效果的，可能是那些沖擊力最小的版本。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@些黑洞距離我們太遠(yuǎn)了。銀河系中心的黑洞距離我們有26000光年，M87中心的黑洞距離我們有5500萬光年。拍攝它們，相當(dāng)于在地面拍攝月球上的一個(gè)蘋果。所幸由全球各地眾多望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合而成的“視界望遠(yuǎn)鏡”，其相機(jī)的有效面積相當(dāng)于我們行星的圓面。

但是即便如此，“視界望遠(yuǎn)鏡”也只是剛剛足夠拍到這兩個(gè)黑洞?；谡鎸?shí)條件的模擬結(jié)果顯示“視界望遠(yuǎn)鏡”拍到的可能只是一道模糊的光環(huán)。但對(duì)于科學(xué)家來說，即便是這樣的一張照片也足以令人興奮，因?yàn)檫@可能將是我們第一次看到黑洞的真容。事實(shí)上，直到今天，雖然黑洞是科幻作品、新聞報(bào)道中的網(wǎng)紅，但它實(shí)際上還只是一個(gè)理論假說。雖然LIGO已經(jīng)通過引力波探測(cè)，感知到了黑洞的合并，但這與我們親眼看見一個(gè)黑洞并不是一回事。

“視界望遠(yuǎn)鏡”的照片一旦公布，天文學(xué)家不但有機(jī)會(huì)比對(duì)他們的模擬與現(xiàn)實(shí)有多大差異，而且還將通過這張照片，獲得大量與奇點(diǎn)周圍極端引力環(huán)境物理學(xué)規(guī)律有關(guān)的無價(jià)數(shù)據(jù)。

模擬本身對(duì)于“視界望遠(yuǎn)鏡”獲得最終的照片也非常重要。因?yàn)椤耙暯缤h(yuǎn)鏡”的各個(gè)天文臺(tái)并不能無縫地覆蓋全球，在數(shù)據(jù)中必定存在著不完善和空缺，以及不確定性。因此計(jì)算機(jī)模擬在這里可以起到一種指導(dǎo)作用，讓研究人員在處理一張從來沒有人見過的照片時(shí)，擁有最合理的預(yù)見性。