黑洞藝術(shù)想象圖。（中國科學(xué)院上海天文臺供圖）
事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的數(shù)個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成，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。
（來自事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目組）
對本次拍攝黑洞作出重要貢獻(xiàn)的南極SPT望遠(yuǎn)鏡。（來自百度網(wǎng)）
本文由中科院中國科普博覽微信公號與本版共同推出。作者為《黑洞來客》團(tuán)隊(duì)成員，其中茍利軍為中科院國家天文臺研究員、國家天文臺恒星級黑洞爆發(fā)現(xiàn)象研究創(chuàng)新團(tuán)組負(fù)責(zé)人。
北京時(shí)間4月10日，人類首張黑洞照片在全球六地的視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)布會上同步發(fā)布。經(jīng)過漫長的等待，在全球200多位科學(xué)家的努力之下，第一幅黑洞照片新鮮出爐。
長久以來在電腦上模擬得到的黑洞形象，第一次真實(shí)地呈現(xiàn)在我們的眼前。在這張來自視界望遠(yuǎn)鏡的照片里，M87中心黑洞如同電影《指環(huán)王》中索倫的魔眼，在溫暖而神秘的紅色光環(huán)中間，是一片深黑的無底之洞。
這個(gè)圓環(huán)的一側(cè)亮一些，另一側(cè)暗一些，原因在于吸積盤的運(yùn)動效應(yīng)——朝向我們視線運(yùn)動的區(qū)域因?yàn)槎嗥绽招?yīng)而變得更亮，遠(yuǎn)離我們視線運(yùn)動的區(qū)域會變暗。中間黑色的區(qū)域就是黑洞本身——光線無法逃離之處。
1968年，美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出了“黑洞”的概念，而100多年前德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西就為黑洞作出了精確解。今天我們收獲了第一張黑洞的照片，人類對黑洞和宇宙的認(rèn)識又邁出了關(guān)鍵一步。
在2017年4月全球數(shù)個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）并拍下第一張黑洞照片之時(shí)，我們就曾寫到：“人類第一次看到黑洞的視界面，無論我們最終得到的黑洞圖像是什么樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘，或者只有幾個(gè)模糊的像素點(diǎn)——事件視界望遠(yuǎn)鏡都意義非凡，這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結(jié)果不僅僅是一張照片那么簡單，它一方面呼應(yīng)著愛因斯坦的廣義相對論，另一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批‘看見’黑洞的人類，真是好運(yùn)氣。”
兩年之后，這張寶貴的照片終于呈現(xiàn)在我們眼前，同時(shí)它讓我們思考下面的一些問題。
①這張值得全世界六地同時(shí)興師動眾發(fā)布的照片，究竟是怎么拍出來的？
在過去10多年間，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了其它研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開展了激動人心的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，全球多地的一系列亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對黑洞展開觀測。
事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的數(shù)個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡所組成，構(gòu)建了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡。它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。
事實(shí)上，亞毫米波段和我們非常熟悉的可見光有著天壤之別。這個(gè)波段我們是無法直接看到的，利用亞毫米波段給黑洞拍照，其實(shí)就是得到黑洞周圍輻射的空間分布圖。
對于我們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片來說，它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點(diǎn)以后，我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。
雖然是在單個(gè)頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測，但由于黑洞周圍不同區(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同，我們可以得到一個(gè)光子強(qiáng)度分布圖，然后我們假定不同的強(qiáng)度對應(yīng)著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的顏色。
②電影《星際穿越》中的“卡岡圖雅”黑洞有著深不見底的黑色中心與立體清晰的氣體圓環(huán)，此次發(fā)布的照片里的M87為何模糊許多？
與光學(xué)照片一樣，清晰度根源于分辨率。要提高望遠(yuǎn)鏡分辨率，可從兩方面努力：一是降低觀測頻段光子的波長（等價(jià)于增強(qiáng)能量），二是增加望遠(yuǎn)鏡的有效口徑。利用全球不同地方的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)，我們得到了一個(gè)口徑超大的望遠(yuǎn)鏡，并在相關(guān)技術(shù)相對成熟的射電波段內(nèi)，選擇了能量最高的毫米和亞毫米波段。
值得注意的是，有效口徑取決于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)中相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離。2017年，一系列亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入觀測，2018年北極圈內(nèi)格陵蘭島的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入，基線長度增加，提高了分辨率。
雖然我們現(xiàn)在的亞毫米望遠(yuǎn)鏡基線已達(dá)到了1萬公里，但空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測的有限區(qū)域內(nèi)，就相當(dāng)于只有有限的幾個(gè)像素。在《星際穿越》中，天文學(xué)家基普·索恩設(shè)想的黑洞形象——包括吸積盤的許多具體細(xì)節(jié)——都通過技術(shù)手段呈現(xiàn)了出來，然而在真實(shí)的情況下，我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個(gè)亮斑而已。
既然我們可以將兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡放置得很遠(yuǎn)實(shí)現(xiàn)更高分辨率，那么能否只用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡來完成黑洞照片呢？很遺憾，不行。觀測要求的不僅僅是分辨率，還有靈敏度——高分辨率可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié)，而高靈敏度則能夠讓我們看到更暗的天體。
③視界望遠(yuǎn)鏡2017年開始拍攝，近日才發(fā)布成果，為什么這張“簡單”且“模糊”的照片“沖洗”了兩年之久？
首先，望遠(yuǎn)鏡觀測到的數(shù)據(jù)量非常龐大。2017年，望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)量達(dá)到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡，數(shù)據(jù)量繼續(xù)增加。龐大的數(shù)據(jù)量使處理的難度不斷加大。
其次，在數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中，科學(xué)家也遭遇了不少技術(shù)難題——黑洞附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動有著非常多的不確定性——為了解決這些問題，科學(xué)家們還專門開發(fā)了特定的程序和工具。
再次，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在最終數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)家們在兩個(gè)不同的地方分別處理、分別驗(yàn)證。全世界范圍內(nèi)設(shè)立了兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)是位于美國的麻省理工學(xué)院，另外一個(gè)是位于德國的馬普射電所。二者彼此獨(dú)立地處理數(shù)據(jù)，也彼此驗(yàn)證和校對，保證了最終結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
④黑洞研究歷時(shí)已久，4年前引力波已經(jīng)讓我們“聽”到了來自黑洞合并的聲音，為什么直到今天我們才“看”到黑洞的照片？
簡單地說是因?yàn)楹诙磪^(qū)域?qū)嵲谔×恕巴h(yuǎn)鏡角分辨率或者放大倍數(shù)不夠，在過去幾年中，我們才真正實(shí)現(xiàn)了能夠看到黑洞附近區(qū)域的分辨能力。
其實(shí)，早在2017年進(jìn)行全球聯(lián)網(wǎng)觀測之前，全球很多科學(xué)家已經(jīng)為此努力了十多年的時(shí)間，并且利用望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)中的幾個(gè)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)嘗試，探測了銀河系黑洞附近的區(qū)域，結(jié)果確實(shí)在亞毫米波段探測到了周圍的一些輻射，這給了團(tuán)隊(duì)很大的信心。
在此之前，盡管科學(xué)家們已經(jīng)掌握了很多證明黑洞確實(shí)存在的電磁觀測數(shù)據(jù)，但是這些證據(jù)都是間接的——少數(shù)科學(xué)家會提出一些怪異的理論來作為黑洞的替代物，因?yàn)槲覀儾]有直接觀測到黑洞的模樣。
2016年探測到的雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，更是讓人們愈加相信黑洞的存在。但引力波是類似于聲波的“聽”的方式，而電磁方式是一種“看”的方式，對于更傾向于“眼見為實(shí)”“有圖有真相”的人類而言，以直觀的電磁方式探測到黑洞還是非常讓人期待的。所以，在2016年初引力波被直接探測到之后，視界面望遠(yuǎn)鏡并沒有放棄觀測，反而以全球聯(lián)網(wǎng)的方式，把這一探測技術(shù)推向了極致。
⑤如此大費(fèi)周章，除了滿足人們“眼見為實(shí)”的心愿，黑洞照片對于驗(yàn)證相對論、揭秘星系演化有何意義？
直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在，同時(shí)也通過模擬觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對論。在視界望遠(yuǎn)鏡的工作過程和數(shù)據(jù)分析過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，所觀測到的黑洞陰影和相對論所預(yù)言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。
另外一個(gè)重要意義在于，科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個(gè)獨(dú)立的測量。在此之前，精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。
受限于觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細(xì)節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制，完善我們對于星系演化的認(rèn)知與理解。
⑥本次拍攝所用的“黑洞照相館”可以給所有黑洞拍照片嗎？
科學(xué)家之前探測黑洞，是通過探測黑洞周圍的吸積盤或者黑洞噴流產(chǎn)生的輻射，來間接地探測黑洞的存在。從理論上講，任何能夠產(chǎn)生輻射的黑洞都是適合拍照的，但受技術(shù)限制，我們只能選擇拍攝到那些看起來非常大的黑洞，這樣才有可能看到黑洞周圍的一些細(xì)節(jié)。
視界望遠(yuǎn)鏡此次觀測其實(shí)選定了兩個(gè)目標(biāo)：一個(gè)是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量為450萬倍的太陽質(zhì)量，距離地球2.6萬光年；另外一個(gè)是位于M87星系中心的黑洞，其質(zhì)量為65億倍的太陽質(zhì)量，距離地球5300萬光年。
黑洞半徑通常以史瓦西半徑來描述，與黑洞質(zhì)量成唯一正比關(guān)系，如果我們將視界大小定義為黑洞直徑和黑洞距離的比值，那么我們可以知道，銀河系中心黑洞的視界大小約為M87中心黑洞視界大小的1.4倍。這是我們知道的最大的兩個(gè)黑洞，而那些質(zhì)量只有幾十個(gè)太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，盡管距離相對比較近，但是因?yàn)槠滟|(zhì)量過小等因素，更難被望遠(yuǎn)鏡捕捉。
⑦既然銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞這么大、距離這么近，為什么這一次只發(fā)布了更為遙遠(yuǎn)的M87的照片，而沒有銀河系中心黑洞的照片呢？
M87中心黑洞附近氣體活動比較劇烈，我們之前已經(jīng)觀測到了它所產(chǎn)生的強(qiáng)烈噴流，相較之下，銀河系黑洞的活動不那么劇烈。
另外一個(gè)很重要的原因是，太陽系處在銀河系的銀盤上，在我們試圖利用視界望遠(yuǎn)鏡探測來自于黑洞周圍的輻射或光子的時(shí)候，這些光子會受到傳播路徑上星際氣體的影響——?dú)怏w會散射這些光子，將觀測結(jié)果模糊化。
M87是一個(gè)包含氣體很少的橢圓星系，受到的氣體干擾相對少很多，科學(xué)家們可以比較順利地進(jìn)行觀測。我們在大氣層之內(nèi)觀測天體時(shí)也會有類似情況，因?yàn)榇髿鈹_動的緣故，望遠(yuǎn)鏡的分辨率有時(shí)很難達(dá)到理想狀況。消除星際氣體散射的效應(yīng)是科學(xué)家接下來需要克服的一個(gè)重要難題。
⑧中國科學(xué)家在“黑洞照相館”中發(fā)揮了什么作用？
中國大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒有直接參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測當(dāng)中，最直接的原因在于，中國大陸兩個(gè)建好的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（一個(gè)是位于青海德令哈的13.7米望遠(yuǎn)鏡，另一個(gè)是位于西藏的CCOSMA望遠(yuǎn)鏡）不具備相關(guān)技術(shù)的聯(lián)網(wǎng)功能。但即使它們可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，同步觀測也無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈冋梦挥陟`敏度非常高的ALMA陣列的背面位置。
廣為人知的中國FAST天眼望遠(yuǎn)鏡也沒有機(jī)會參與到視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測行列。首先，其工作波段不適宜；其次，其所處環(huán)境濕度較大，不適宜。亞毫米波光子很容易被大氣中的水蒸氣所吸收，視界望遠(yuǎn)鏡都位于海拔比較高而且干燥的地方，比如ALMA望遠(yuǎn)鏡就位于海拔5000多米的沙漠當(dāng)中。
位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡是EHT聯(lián)合觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之一，有中國科研機(jī)構(gòu)參與其中，為視界望遠(yuǎn)鏡提供了必不可少的觀測保障。
部分中國科學(xué)家也參與了后期的數(shù)據(jù)分析和討論，為世界上第一張黑洞照片做出了貢獻(xiàn)。