科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 于紫月
圖源：NASA/Goddard Space Flight Center
自20世紀(jì)開(kāi)始，人們對(duì)黑洞的探秘就從未停止過(guò)。然而，經(jīng)過(guò)全球200多位科學(xué)家數(shù)年的努力，我們終于將在今年的4月10日看到第一張黑洞的照片，一睹它的風(fēng)采。
過(guò)去科學(xué)家如何確定黑洞的存在？如今給黑洞“拍照”有何難點(diǎn)？“相機(jī)”在哪些方面取得了突破？首次“拍照”黑洞嘗試，對(duì)象選擇有何“訣竅”？
黑洞如何“刷存在感”
“黑洞體積很小，而且與地球的距離非常遙遠(yuǎn)，限于單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的分辨率，我們無(wú)法直接看到黑洞?！?/strong>中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
雖然看不到它，但科學(xué)家很早之前就預(yù)知了它的存在。早在十八世紀(jì)，數(shù)學(xué)家拉普拉斯等人基于經(jīng)典的牛頓萬(wàn)有引力，提出了“暗星”的存在，這可以算是黑洞概念的雛形。
圖源：Metro
1915年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，給出了后世皆知的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程。1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，表明如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面——事件視界面，一旦進(jìn)入界面，即使光也無(wú)法逃脫。美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒將之形象地稱為“黑洞”。
自史瓦西得到黑洞的第一個(gè)解之后，許多物理學(xué)家也開(kāi)始投身到對(duì)這種“不可思議的天體”的研究中。20世紀(jì)30年代，美國(guó)的“原子彈之父”奧本海默研究發(fā)現(xiàn)，恒星在一定環(huán)境下可以坍縮形成黑洞，這種觀點(diǎn)在近幾十年的數(shù)值計(jì)算中得到了證實(shí)。
在黑泂內(nèi)部，空間會(huì)無(wú)限扭曲
隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于天體的研究顯然不會(huì)僅僅停留在計(jì)算的層面。但問(wèn)題是，黑洞不同于其他天體，它既然連光都能吞噬，人類又怎能在茫茫宇宙中發(fā)現(xiàn)黑洞呢？
電影《星際穿越》中的黑洞，周圍的亮環(huán)是由氣體構(gòu)成的吸積盤(pán)
“科學(xué)家可通過(guò)測(cè)量黑洞對(duì)周圍天體的作用和影響，如吸積盤(pán)、噴流現(xiàn)象等，間接觀測(cè)或推測(cè)黑洞的存在。”茍利軍表示，物質(zhì)在被吞噬時(shí)，會(huì)沿螺旋狀軌道靠近并落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤(pán)狀的吸積盤(pán)。在黑洞的引力下，吸積盤(pán)內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億度的高溫，從而發(fā)出輻射。
黑洞“吸食”周圍的天體物質(zhì)時(shí)，部分氣體在被“吃”之前會(huì)沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。
恒星級(jí)黑洞系統(tǒng)示意圖
吸積盤(pán)和噴流都是宇宙中極為明亮的現(xiàn)象。1964年，美國(guó)科學(xué)家利用探空火箭在天鵝座區(qū)域偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常明亮的X射線天體，科學(xué)家將其命名為“天鵝座X-1”。它成為了人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞候選體。
這張照片是天鵝座X-1雙星系統(tǒng)的X射線照片，這是科學(xué)家們第一個(gè)懷疑是黑洞的天體。照片由美國(guó)宇航局馬歇爾空間飛行中心的一個(gè)小組于2001年5月23日拍攝。
此后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量黑洞，這其中包括質(zhì)量與天鵝座X-1差不多、相當(dāng)于幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，也包括幾十萬(wàn)、上百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。此前有科學(xué)家估算過(guò)，質(zhì)量高于10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞數(shù)目應(yīng)該多于1億個(gè)。
視界面望遠(yuǎn)鏡“大展拳腳”
僅僅通過(guò)間接信息來(lái)觀測(cè)黑洞顯然已經(jīng)無(wú)法滿足科學(xué)家們的好奇心了。2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國(guó)夏威夷、美國(guó)亞利桑那州、西班牙的8臺(tái)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)(VLBI)將這8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建成一個(gè)口徑等同于地球直徑的超級(jí)“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——視界面望遠(yuǎn)鏡（EHT）。
望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖，紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地(摘自nature.com)
“吸積盤(pán)的輻射主要是在可見(jiàn)光、紫外以及X射線波段?！逼埨娬f(shuō)，但在吸積盤(pán)之外，黑洞周圍還會(huì)存在不少高速運(yùn)動(dòng)的自由電子，這些以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)的電子在電磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生射電波段的同步輻射，從而為視界面望遠(yuǎn)鏡“拍照”創(chuàng)造了條件。
“本次觀測(cè)黑洞的亞毫米波段是射電波段中最短的部分，而虛擬口徑也擴(kuò)大到了地球直徑大小，使虛擬望遠(yuǎn)鏡的分辨率大為提升，因此可以進(jìn)行觀測(cè)黑洞的嘗試。”茍利軍告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的射電望遠(yuǎn)鏡所組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠(yuǎn)鏡的“基線”，由此構(gòu)成了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡。
地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡是如何煉成的？簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，VLBI是把幾個(gè)小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，達(dá)到一架大望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。“利用VLBI技術(shù)將多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，虛擬望遠(yuǎn)鏡的口徑大小取決于其中距離最遠(yuǎn)的兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間的距離?！敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。
從參與觀測(cè)的8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡所處的地理位置來(lái)看，西班牙格拉納達(dá)市與美國(guó)夏威夷莫納基亞山距離約13000公里，與地球直徑相當(dāng)。
位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列中的4面天線，該陣列的加入將會(huì)使得事件視界望遠(yuǎn)鏡的靈敏度提高10倍。
“兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成一條基線。最長(zhǎng)的基線能提供目標(biāo)天體最細(xì)致的細(xì)節(jié)，而參與組網(wǎng)的望遠(yuǎn)鏡越多，基線就越多，就能得到質(zhì)量越好的合成圖像，讓人們看到目標(biāo)天體在不同尺度的細(xì)節(jié)?！标悓W(xué)雷說(shuō)。
科學(xué)家們付出諸多努力打造出這臺(tái)“巨無(wú)霸相機(jī)”，用了數(shù)日進(jìn)行“拍照”，但“洗照片”的過(guò)程卻花費(fèi)了2年時(shí)間。為何“沖洗”時(shí)間如此之長(zhǎng)？
“這類觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理并非只用一套現(xiàn)成的方法。多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間的鐘差、望遠(yuǎn)鏡自身狀態(tài)隨時(shí)間的微小改變等問(wèn)題都會(huì)影響觀測(cè)精度。另一方面，‘拍照’對(duì)象黑洞本身也在不斷變化，科學(xué)家需要探索新方法對(duì)‘相機(jī)’進(jìn)行校準(zhǔn)，建立模型，以提升合成圖像的質(zhì)量和精度?！标悓W(xué)雷指出，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要根據(jù)處理結(jié)果不斷調(diào)整運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)，加之?dāng)?shù)據(jù)量巨大，因此用時(shí)很長(zhǎng)。有報(bào)道稱，為了處理這些海量數(shù)據(jù)，美國(guó)麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了新算法，以加快數(shù)據(jù)分析。
位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠(yuǎn)鏡(來(lái)自ALMA官方網(wǎng)站)
工作在射電波段的視界面望遠(yuǎn)鏡正在“刷屏”，但我們是否有更好的選擇？中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)袁峰此前表示，如果用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)黑洞需要達(dá)到幾公里的口徑，紅外望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到10—100公里口徑。
“建設(shè)數(shù)公里甚至數(shù)十公里的單口徑光學(xué)或紅外望遠(yuǎn)鏡顯然工程浩大、難以實(shí)現(xiàn)，而‘合眾之力’的干涉測(cè)量技術(shù)在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用也尚不成熟。”陳學(xué)雷表示，在目前技術(shù)水平下利用大口徑射電望遠(yuǎn)鏡“組團(tuán)”觀測(cè)是最為現(xiàn)實(shí)的選擇。
選擇“拍照”對(duì)象有學(xué)問(wèn)
在目前發(fā)現(xiàn)的大量黑洞候選體中，科學(xué)家為何會(huì)“相中”人馬座A*黑洞和M87星系中心黑洞進(jìn)行“拍照”？
“這兩個(gè)黑洞的視大小是我們所發(fā)現(xiàn)的黑洞中最大的兩個(gè)?！逼埨姼嬖V記者，視大小指我們從地球上觀測(cè)天體時(shí)，直接看到的天體大小。這取決于天體本身的直徑以及它與地球的距離。同樣大小的天體距離我們?cè)竭h(yuǎn)，在天空中看起來(lái)就越小。
人馬座A*黑洞位于銀河系中心?！跋鄬?duì)來(lái)說(shuō)，人馬座A*黑洞并非是我們觀測(cè)到的最大質(zhì)量的黑洞，但是它距離地球最近，被看作研究黑洞物理的最佳對(duì)象?！逼埨姳硎?，M87星系黑洞則以“胖”著稱，其質(zhì)量估計(jì)可達(dá)幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量。
“以前關(guān)于黑洞的證據(jù)并不直接，此次‘拍照’能獲得最為直接的證據(jù)，給兩個(gè)黑洞‘驗(yàn)明正身’，確認(rèn)之前的間接觀測(cè)和推測(cè)是否正確，也為今后的研究和觀測(cè)提供一種檢驗(yàn)方式?！?/strong>茍利軍指出。
引力透鏡模擬的黑洞，可看出在星系背景扭曲的圖像
本次“拍照”還可為一些基礎(chǔ)物理研究提供數(shù)據(jù)或解釋天文現(xiàn)象成因，如噴流的形成，科學(xué)家們希望能夠解釋黑洞自旋是否為噴流提供了能量源。而通過(guò)觀察黑洞視界面的大小和形狀，或許能夠首次在超大質(zhì)量黑洞周圍的極端空間驗(yàn)證愛(ài)因斯坦引力理論。甚至，有人希望此次“拍照”能找到不同于黑洞的未知物體，用來(lái)解釋物質(zhì)因?yàn)樽灾厮s時(shí)可能發(fā)生的情景。
百載汲汲求索，今朝何其幸運(yùn)能夠見(jiàn)證第一張黑洞照片問(wèn)世。當(dāng)然，掀起黑洞甚至更多神秘天體的“蓋頭”，如今邁出的僅僅是第一步，未來(lái)我們會(huì)一直在路上。
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