黑洞，今天終于可以看到你的樣子

首張黑洞照片今晚9點面世，這張照片為何難拍，沖洗為何花了兩年

專家解釋：我們看黑洞就像站在地球上看一只放在月球表面的橙子

本報記者 章咪佳 俞任飛

2019年4月2日，中國科學(xué)院上海天文臺發(fā)布了一則簡短的通知。

通知提到，事件視界望遠(yuǎn)鏡項目(Event Horizon Telescope，簡稱EHT)將和中國科學(xué)院一道，發(fā)布一項“來自于EHT的最新重大成果”。

正在輿論猜測之際，4月5日來自中國科學(xué)院的最新消息稱：首張黑洞照片目前正在最后“沖洗”階段，其問世已進入倒計時。

北京時間2019年4月10日晚上9點整，將宣布一項與超大質(zhì)量黑洞照片有關(guān)的重大成果。

包括中國科學(xué)院上海天文臺在內(nèi)的一些國內(nèi)機構(gòu)，也參與了此次國際合作。

在經(jīng)過百年的探索后，人類即將揭開黑洞的神秘“面紗”。

黑洞最早的寫生

18世紀(jì)，英國地理學(xué)家約翰·米歇爾(John Michell)便已經(jīng)意識到：宇宙中有致密的天體，可以達(dá)到滴“光”不漏的程度——密度大到連光都完全無法逃逸。

1968年，美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒(John Archibald Wheeler)正式提出，將這樣的天體，稱作“黑洞”，它們自身不發(fā)光，吸入所有一切，什么都逃不出來。

多年來，天文學(xué)家也只是基于物理學(xué)定律和基本假設(shè)，用計算機模擬黑洞的真容。1978年，利用電腦模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，天體物理學(xué)家讓-皮埃爾·盧米涅(Jean-Pierre Luminet)用鋼筆和印度墨水繪制了第一幅模擬黑洞圖像。黑白的圖像展現(xiàn)了落入黑洞的扁平物質(zhì)，它看起來并不平坦，因為黑洞強大的引力，使周圍的光發(fā)生彎曲。

40年來，科學(xué)家也已看到了黑洞的一些邊緣證據(jù)，比如物質(zhì)落入黑洞時，會因摩擦和引力作用形成一個巨大的高熱吸積盤，就像是抽水馬桶放水時產(chǎn)生的旋渦。

如何找到黑黢黢的黑洞

地球人怎么能看到、拍到宇宙中一個完全黑暗的物質(zhì)？

探測黑洞的方法，是找它們的“周邊”——吸積盤和噴流。

當(dāng)恒星量級(從3個太陽質(zhì)量到100個太陽質(zhì)量大小)的黑洞會存在于一個恒星周圍，將恒星的氣體撕扯到它自己身邊，產(chǎn)生一個圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體盤，即吸積盤。

當(dāng)吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場的作用下被沿轉(zhuǎn)動方向拋射出去，形成噴流。

吸積盤和噴流兩種現(xiàn)象，都因氣體摩擦而產(chǎn)生了明亮的光與大量輻射，所以很容易被地球上的科學(xué)家通過望遠(yuǎn)鏡探測到。理論上，黑洞也就有跡可循了。

月球上的“橙子”和“香泡”

但是這種曲線救國的方式找黑洞，并不容易。

根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個恒星量級的黑洞?？傻侥壳盀橹梗茖W(xué)家只確認(rèn)了20多個黑洞的存在，此外還有四五十個黑洞候選體。

即將亮相的黑洞——銀河系中心黑洞Sgr A*(人馬座A)；位于星系M87中的黑洞(M87 室女座星云)。

中科院天文學(xué)教授茍利軍解釋說，之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標(biāo)，是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的?！捌渌诙匆驗榫嚯x地球更遠(yuǎn)或質(zhì)量有限，觀測難度更大?！?/p>

Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個太陽，所對應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，這個視界面就相當(dāng)于17個太陽的大小?！巴郏笫遣皇?？”茍利軍說，但是地球與Sgr A*相距2.5萬光年(約24億億公里)之遙，這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那么小。茍老師打個比方說：“就像我們站在地球上去觀看一只放在月球表面的橙子?！?/p>

M87中心黑洞的質(zhì)量更大，達(dá)到了60億個太陽質(zhì)量。盡管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的視界面對我們而言，可能比Sgr A*這只“橙子”稍微大那么一點兒，大概像一只香泡吧。

這張照片為什么難拍

發(fā)現(xiàn)黑洞已如此不易，怎么給它拍照？

要想觀測遙遠(yuǎn)的黑洞，依靠目前地球上任何單個望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

在過去10多年時間里，麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家們聯(lián)合了其他研究機構(gòu)的科研人員，開展了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目，全球各地8個射電望遠(yuǎn)鏡同時對黑洞展開觀測。

為了增加空間分辨率，以看清更為細(xì)小的區(qū)域，科學(xué)家們在此次進行觀測的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。

在所有參與觀測的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中，智利的ALMA毫米望遠(yuǎn)鏡是最為重要的一個，因為它的靈敏度是目前單陣列望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中最高的。但它的檔期非常滿。ALMA望遠(yuǎn)鏡排滿了一系列觀測計劃，所以此次黑洞視界面的觀測，ALMA望遠(yuǎn)鏡只計劃進行四五天，其中兩個晚上觀測銀河系中心黑洞SgrA*，剩下的時間留給星系M87黑洞。

要保證所有8個望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個黑洞，留給科學(xué)家們的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間。

8個望遠(yuǎn)鏡組成的國際部隊，不能直接看到黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息，勾勒出黑洞的樣子。

洗照片，少則半年，長則兩年，給黑洞拍張照片不容易，“洗照片”更是耗時漫長。

對于此次跨越南北半球的事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測，因其所涉及的站點區(qū)域非常廣闊，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將十分龐大。事件視界望遠(yuǎn)鏡每一個晚上所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達(dá)2PB　　(2000000GB)。幫助科學(xué)家找到“上帝粒子”的歐洲大型質(zhì)子對撞機，一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也就這個量級。

在觀測結(jié)束之后，各個站點收集的數(shù)據(jù)，被匯集到兩個數(shù)據(jù)中心——位于美國麻省的Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所。在那里，大型計算機集群將會對數(shù)據(jù)時間進行合并與分析，從而產(chǎn)生一個關(guān)于黑洞的圖像。這一分析所需的時間少則半年，長則數(shù)年。

最終我們等了這張照片兩年。

“黑洞圖像，將幫助人們回答噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的?！碧煳膼酆谜咔f則以說，事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測對于科學(xué)研究有著非常重大的意義，“即便是只能夠看到幾個像素，此次視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測也將是人類黑洞觀測史上的重要一步。”

總之，我們何其幸運，或許將成為茫茫宇宙中，第一批親眼看到黑洞的碳基生物。

從預(yù)言到看見，黑洞研究跨越百年

對黑洞的研究，始于上世紀(jì)初。通過廣義相對論，愛因斯坦第一次預(yù)言了黑洞的存在。緊接著，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西(Karl　Schwarzschild)通過計算，證實了如果將大量物質(zhì)集中于一個點，其周圍就會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象。之后，這種不可思議的天體，被命名為“黑洞”。

黑洞是如何誕生的，黑洞有多大……在奧本海默、霍金等一系列科學(xué)家的研究下，對于黑洞的認(rèn)識在此后幾十年有了長足的進步。直到1970年，美國人造衛(wèi)星“自由號”發(fā)現(xiàn)，天鵝座X-1天體上一個比太陽重30多倍的巨大藍(lán)色星球，正被一個看不見的物體牽引著。這被學(xué)界認(rèn)作是人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞。

之后越來越多的黑洞被發(fā)現(xiàn)。2017年12月，美國卡耐基科學(xué)研究所科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了有史以來最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量是太陽的8億倍。同年，諾貝爾物理學(xué)獎被授予給3位美國科學(xué)家，以表彰他們對觀測引力波的決定性貢獻。在他們的努力下，2016年激光干涉引力波天文臺(Laser　Interferometer　Gravitational-Wave　Observatory，LIGO)合作組宣布，他們于2015年9月14日探測到了引力波，它來自于兩個黑洞的碰撞。而這項工作，也真正證實了黑洞的存在。

如今，對黑洞的研究已延續(xù)百年。這一次，我們終于能見到黑洞的“廬山真面目”