黑洞露脸

刘安立

2019年4月10日，北美东部夏令时间大约早晨9点，地球人首次得以和黑洞面对面——科学家公布了视界望远镜（由8部射电望远镜组成的网络）对大约5500万光年外的M87星系中央黑洞的首批探测结果，即这个相当于65亿倍太阳质量的超大质量黑洞的光谱轮廓（视界轮廓）。科学家说，这是他们首次拍摄到黑洞照片。黑洞照片看似平淡实际上很出彩

由于黑洞非常致密，質量极大，因此不会有能逃离黑洞巨大引力的光线，这意味着黑洞轮廓照片已经是能拍摄到的最佳黑洞照片。这些新照片的清晰度足以分辨黑洞视界的惊人轮廓。所谓视界是指一个边界，过了这个边界就连以光速穿行的物体也无法逃离黑洞引力。之所以能得到这种背光照片，是因为在黑洞周围存在被扭曲的光线和环绕黑洞的超高温和明亮的气云。多年来科学家画出了无数对黑洞的想象图。与这些想象图相比，第一批黑洞照片并不“出彩”。黑洞的这些真实写照就好像是用老式相机拍摄的模糊火圈，而且照片上有污点。但考虑到黑洞令人难以捉摸的本质，这些照片在科学家眼中却美得出奇。

对黑洞的严肃研究好几十年前就开始了。但在这次拍摄黑洞照片之前，科学家不可能直接观测黑洞。为了确定黑洞位置，科学家依赖间接观测手段，例如追踪环绕黑洞的恒星或气云的异常轨迹，然后推测这些轨迹内部的天体。这一工作的难度之大，就好比从蛋糕烤箱本身猜测蛋糕味道。这样探测到的数据自然有种种缺陷，只能说明黑洞“应该”存在。但即便如此，科学家还是一直在优化对黑洞实际样子的预测模型。看到第一批黑洞照片，科学家的感觉是惊人的熟悉。换句话说，他们早就想到了真正的黑洞就是这个样。

参与视界望远镜网络的天文台分别位于南极洲、欧洲、南美洲、非洲、北美洲和大洋洲。所有参与进来的望远镜都必须直接对准被观测目标，以测量该目标附近的活动。其中每个望远镜团队都必须研发自己的模型，并相互比较。最终，每个团队的硬盘驱动器都被送到位于美国马萨诸塞州波士顿郊外的海斯塔克天文台进行处理，以获得黑洞剪影。早在2017年4月，视界望远镜网络就获得了M87的黑洞数据。接下来，一个科学团队花了两年时间来编辑和检验探测数据。通过分布于全球的天文台阵列，视界望远镜相当于一部和地球本身一样大的超大望远镜，足以分辨几千万光年外的天体。科学家说，视界望远镜的放大程度就好比站在美国华盛顿特区看清洛杉矶市一个房间内部的情况。基本上，视界望远镜的“视力”是眼力最好的人的大约300万倍。

在大约持续两周的观测过程中，网络中的每一部望远镜都能采集超大量数据，相当于4万人一生的所有自拍照。把这些望远镜强强联合，视界望远镜团队得以产生躺在M87中心的黑洞（以下简称M87黑洞）的阴影照片。

加入视界望远镜网络的一部分大型望远镜。

40年前，科学家创制的第一幅黑洞模拟图像竟然非常接近黑洞的首批实拍照。这幅模拟图由法国科学研究中心的年轻科学家鲁米奈特制作，它在1979年被发表时在世界范围内造成影响。它之所以很有创新性，是因为当时科学界对黑洞是否存在都有争议。

鲁米奈特博士的黑洞模拟图并非是艺术家想象图，而是基于当时猜想的黑洞及其气盘的物理特征和爱因斯坦广义相对论。运用电脑数据，鲁米奈特在一张白纸上用手画了数千个黑点，然后采用照相底片制作出最终图像。他当时就想象了一个发光吸积盘中心的一个黑圈（当时还没有把这个圈像今天这样称为黑洞剪影），并且这个吸积盘的一侧亮度明显大于另一例。这是因为有两种效应（即爱因斯坦效应和多普勒效应）在频移来自吸积盘并到达地球的辐射。爱因斯坦效应描述黑洞引力场怎样扭曲到达地球的光线，这一扭曲导致来自黑洞背后吸积盘部分的光线看上去像是来自黑洞前方。多普勒效应描述环绕黑洞飞奔的气体在朝向地球时怎样变得更亮，该效应是由环绕黑洞的吸积盘旋转造成的。这些特点在视界望远镜拍摄的黑洞照片上都能见到，这就证明了鲁米奈特的黑洞模拟图很准确。在鲁米奈特团队1991年发表的黑洞模拟升级图像中这些特点更是明显可见。在升级图中，添加了凸显多普勒效应和非对称性的橘色着色。

科学家这次能拍摄黑洞照片，在很大程度上要归功于美国麻省理工学院的一名女生。现年29岁的博士凯蒂（右）3年前创制了一种算法，它能采集来自全球望远镜的数据并拼接出M87黑洞照片。正是凯蒂的工作把地球变成了一部虚拟望远镜。如果没有她的算法，就根本不可能捕捉到M87黑洞图像，因为需要一部直径1万千米的射电望远镜才能达到虚拟望远镜的分辨力。目前全球最大的射电望远镜直径只有500米左右。凯蒂2017年在麻省理工学院获得博士学位。她将在加州理工学院担任助教，研究方向是电脑成像。她的工作将填补视界望远镜拍摄的黑洞照片中的空白。

迄今为止，科学家对黑洞视界以内的情况只能进行理论预测。但我们终于证实了黑洞的存在，这当然是个伟大的开端，是百年来最伟大的科学大发现之一。

M87黑洞的质量哪怕按照超大质量黑洞的标准来看也堪称巨大。这个黑洞的体积几乎和太阳系一样大。科学家说，黑洞在塑造星系中的最大结构方面起了关键作用，正是黑洞让星系成了今天所见的样子。通过观测黑洞，可以更好地了解黑洞对星系历史，乃至地球和人类历史有什么影响。

虽然黑洞的第一批实拍照片看上去與以往的黑洞想象图很像，因此好像仅仅是证实了之前的想象无误，但实拍照的真正意义在于它们看来证实了爱因斯坦当初对广义相对论的一些预测。爱因斯坦首次提出广义相对论至今己过百年。根据这一理论，像地球这样的大质量物体会很微妙却又可被探查到地扭曲时间和空间，就像是垫子下面有一颗讨厌的豆子。引力本身源自这一时空曲率。但在爱因斯坦等式的极端层面，存在着就连爱因斯坦自己一度也认为荒谬的一个预测——如果一个物体足够致密，它就可能把时空转变成一种胃口大到无法想象的宇宙流沙坑，就连光线都不可能逃出这个坑——黑洞。

视界望远镜所拍摄到的黑洞的诡异闪光其实是黑洞的自身活动迹象。黑洞并不是休眠的魔兽——它们一直在吞噬气体和宇宙物质。随着这些天体物质环绕黑洞，它们会升温，像云（其质量可探测到）一样包裹黑洞视界，发出光爆。在视界外距离视界最近的地方，引力强大得足以把光线路径弯曲成像是一只发光的炸面圈的形态。M87黑洞的光影形状和大小符合广义相对论的预测，这就证实了广义相对论的预测正确。但环绕黑洞的光圈并非完美对称——有一半比另一半明亮。科学家推测，这可能是由这些物质和黑洞本身的旋转引起的。

视界望远镜在地球上探测到的其实是M87黑洞发射的无线电波。这些高能光波能到达地球，这本身就是一大奇迹。这些光波必须躲开视界的“血盆大口”，穿越几千万光年的星系际空间，最后还得避开被地球大气层中蒸汽的吸收。波长为1.3毫米的无线电波刚好能完成这种非常严酷的旅程，而视界望远镜要探测的正好是这样的无线电波。实际上，那颗讨厌的引力豆子不是在一张垫子上被感受到，而是在几百万张垫子上都被感受到了。

当然，拍摄到M87黑洞还只是开始。采集到M87黑洞数据的那些望远镜只是视界望远镜网络中的一个分支而已，而来自M87黑洞的无线电波也只是该网络探测目标的一部分。在探测M87黑洞的同时，科学家也在密切追踪距离地球更近的人马座A*黑洞。这个黑洞位于我们所在的银河系中心，距离地球2.6万光年。

在科学家宣布成功拍摄到M87黑洞照片的同时，美国宇航局的钱德拉太空天文台（望远镜）和一颗人造卫星观测到M87黑洞以接近光速喷射高能粒子流，喷射距离超过1000光年。美国宇航局的观测旨在测量M87黑洞射流的X射线亮度，并与视界望远镜观测结果及模型进行比较。黑洞的一大奥秘是：为什么有一些黑洞有射流，而理论预测黑洞中物质无法逃逸？科学家希望，对黑洞的最新观测有助于回答这类长期未决的疑问。构成M87黑洞射流的高能粒子是从视界附近一个区域射出的，射流明暗度神秘变化。x射线有助于科学家把视界附近粒子活动与通过望远镜观测到的情况联系起来。

关于黑洞，还有很多未解之谜。超大质量黑洞有可能存在于所有较大星系中心，但黑洞来源依然不明，也就是有个“先有鸡蛋还是先有鸡”的问题：黑洞可能出生于新近诞生的星系，但也有可能是黑洞在星系本身的形成中起作用。另外，虽然M87黑洞的歪斜视界本身就是一个奇迹，但真正的奥秘在于黑洞深渊发生着什么。科学家推测，在黑洞的核心，物质被剥离成最基本形式，已知的物理学法则可能不成立。什么是黑洞

黑洞是非常致密、引力非常强大。以至于包括光线在内的任何辐射都无法（从黑洞）逃离出去的天体。黑洞作为超强引力源，吸引尘埃和气体环绕自己。黑洞的强大引力被认为是星系申恒星环绕运动的动力。科学家对黑洞形成原圜很不清楚。有一种推测是，比太阳大10万倍的一团气云可能坍缩成一个种子黑洞。许多这样的种子黑洞可以合并成质量大得多的超大质量黑洞。每个已知的超大质量星系中心都存在超大质量黑洞。另一种推测是，超大质量黑洞可能源自一颗大约为100倍太阳质量的巨恒星，该恒星在燃料耗尽并坍缩时形成黑洞。这些巨恒星死亡时也会经历超新：星阶段，即在一场巨大爆发中把恒星外层物质喷射到深空。

事件视界是指黑洞周围没有任何光线或其他辐射可以逃离的理论边界。当任何物质过于靠近黑洞视界时，其原子都会被剥离，其中原子核消失在视界下方，而轻得多的电子则被困在黑洞极强的磁场中.并高速旋转。这种圆周运动让电子释放出光子。黑洞附近物质向外排放的也主要都是光子。

射电望远镜是指用于接收来自天空中天文无线电波源的无线电波的专业化天线和无线电接收器。射电望远镜是射电天文学采用的主要观测工具，用于研究由天体发射的电磁光谱中的无线电频段：正如光学望远镜作为传统光学天文学的主要观测手段，研究来自天体的光谱中的可见光频段。射电望远镜基本上就是大型抛物面（碟形）天线。这种天线与人造卫星和太空望远镜上采用的跟踪和通信天线相似。射电望远镜可以单独使用，也可以串连成天线阵。与光学望远镜不同，射电望远镜可不分昼夜全天候使用。由于行星、恒星、星云和星系等天文无线电源（射电源）都非常遥远.它们发出的无线电波到达地球时已极度微弱，因此射电望远镜需要很大的天线和极度敏感的接收器来采集足够的射电能量以研究射电源头。射电观测最好远离人口中心，以避开来自收音机、电视、雷达、机动车及其他人造电器的电磁干扰。

来自太空的无线电波由美国贝尔电话公司（位于美国新泽西州）的一名工程师在1932年首次探查到，他的探测工具是用于研究无线电接收器噪声的天线。第一部射电望远镜是一部直径9米的碟形天线，在1937年由一名美国无线电业余爱好者在位于美国伊利诺伊州的自家后院里建成。他进行的巡天调查常常被认为是射电天文学的开端。