來自利維坦
利維坦按：黑洞形成后，會(huì)不斷吸入周圍的物質(zhì)而導(dǎo)致后者難以被觀測(cè)到，因此往往無法僅依靠天文觀測(cè)來發(fā)現(xiàn)黑洞。宣稱某個(gè)星體是黑洞，通常都只給出幾張模糊的照片或部分的數(shù)據(jù)，黑洞的所有特征無法全面驗(yàn)證，因此天文數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，并沒有黑洞，僅有黑洞候選星。比如文中的人馬座A*。按距離26000光年來計(jì)算，人馬座A*的直徑約為4400萬公里。
引力透鏡模擬的黑洞，可看出在星系背景扭曲的圖像
不過我還是對(duì)“黑洞信息佯謬”更感興趣一些，霍金曾提出一個(gè)假說，他認(rèn)為，黑洞實(shí)際上無法吞噬和消滅物理訊息，就算掉入黑洞，也是可以出來的。只不過，你無法回到我們的宇宙（從本宇宙永遠(yuǎn)消失了）……
文/Ron Cowen
譯/楊睿
校對(duì)/石煒
原文/news.nationalgeographic.com/2017/04/black-hole-event-horizon-telescope-pictures-genius-science/
本文基于創(chuàng)作共用協(xié)議（BY-NC），由楊睿在利維坦發(fā)布
智利沙漠中的阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列的一部分，包含66個(gè)天線（圖源：NRAO，AUI，NSF）
在銀河系的心臟位置，隱藏著一個(gè)龐然大物，被層層“面紗”籠罩著，尚未被人弄清它的真正面目。
直到天文學(xué)家結(jié)束了五晚的觀測(cè)之后，我們也許才終于捕捉到了黑洞的第一張影像。質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡、死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生黑洞。人類無法直接觀測(cè)黑洞，只能通過間接方式了解它的存在和質(zhì)量，觀測(cè)到它對(duì)其他事物的影響。因此，黑洞的第一張影像意義重大。
更確切地說，天文學(xué)家希望拍攝到的是其實(shí)是黑洞周圍的神秘地帶。這個(gè)區(qū)域被稱為事件視界（event horizon），是一種時(shí)空的曲隔界線。在非常巨大的重力影響下，黑洞附近的逃逸速度大于光速，任何東西，即便是光也不可能從事件視界內(nèi)部逃脫。
銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞模擬圖（圖源：NRAO，AUI，NSF）
超大質(zhì)量黑洞位于銀河系的中心地帶（圖源：NRAO，AUI，NSF）
地面上的射電天文臺(tái)與兩架太空望遠(yuǎn)鏡合作，得到了星系中心的影像（圖源：NRAO，AUI，NSF）
天文學(xué)家的最后一次觀察結(jié)束于2017年4月11日上午11：22，團(tuán)隊(duì)成員文森特·菲什（Vincent Fish）心滿意足地坐在麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)的辦公室里。天文臺(tái)位于馬薩諸塞州東北部一座名叫韋斯特福德的城市。在過去的一周里，菲什24小時(shí)待命，要休息也只能把手機(jī)放在身邊、調(diào)大鈴聲音量，斷斷續(xù)續(xù)地小憩片刻。
最后一批數(shù)據(jù)到達(dá)項(xiàng)目觀測(cè)站時(shí)，菲什在射電天文學(xué)家和工程師的聊天專線上看到了蜂擁而至的祝賀之辭。有人評(píng)論說，他要開一瓶50年陳的蘇格蘭威士忌。另一個(gè)人說他正在享受《波西米亞狂想曲》的振奮和弦。
菲什說：“我很開心，覺得如釋重負(fù)。我好期待能睡一整夜的好覺?！?/span>
但這種如釋重負(fù)的感覺中還夾雜著一些忐忑和期待：龐大的數(shù)據(jù)需要時(shí)間來處理，團(tuán)隊(duì)必須要花幾個(gè)月的時(shí)間才能真正確定他們付諸的努力取得了成功。
銀河巨人：美國(guó)宇航局的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，在遙遠(yuǎn)的星系中心，有一圈恒星環(huán)繞在黑洞周圍（圖源：NASA/JPL-Caltech）
荷蘭拉德堡德大學(xué)的射電天文學(xué)家海諾·法爾克（Heino Falcke）說：“即使第一批影像質(zhì)量不佳、失敗了，但我們已經(jīng)可以初次在黑洞的極端環(huán)境下，檢驗(yàn)愛因斯坦重力理論的一些基本預(yù)測(cè)?！?/span>
愛因斯坦革命性的理論于1915年問世，他提出物質(zhì)會(huì)扭曲或彎曲時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，人類以重力的形式感受到這種時(shí)空扭曲。存在超大質(zhì)量黑洞是愛因斯坦理論的首批預(yù)測(cè)之一。
法爾克表示：“它們是空間和時(shí)間的最終終點(diǎn)，可能代表著人類知識(shí)的最終極限。”然而，天文學(xué)家目前只有間接證據(jù)表明：這些超大質(zhì)量黑洞隱藏在宇宙中各大星系的核心區(qū)域。即使是愛因斯坦本人也不確定它們是否真的存在。
根據(jù)法爾克的說法，第一批影像將掀開籠罩黑洞的層層“面紗”，“把黑洞從原本神秘的東西轉(zhuǎn)變成我們可以學(xué)習(xí)的實(shí)體?！?/span>
除了超大質(zhì)量黑洞之外，天文學(xué)家還找到了較輕質(zhì)量黑洞散布于許多星系的間接證據(jù)，包括美國(guó)國(guó)航局X射線望遠(yuǎn)鏡捕捉到的爆發(fā)（圖源：NASA, STSCI, Middlebury College, F. Winkler等人）
艱難的氣象觀測(cè)
這項(xiàng)工作能取得今天的成果是靠著多年的精心規(guī)劃和全球合作。不論是位于夏威夷的最高峰，還是坐落于冰冷的南極凍原，世界各地有八個(gè)觀測(cè)站參與其中、共同奮斗。這八個(gè)天文觀測(cè)站的網(wǎng)絡(luò)相連，創(chuàng)建了一個(gè)和地球一樣寬的虛擬望遠(yuǎn)鏡。
凝望無底洞
世界各地威力強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡可以同步工作，增強(qiáng)有效分辨率和靈敏度，超越任何的獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡。各設(shè)備（稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”陣列）間的遙遠(yuǎn)距離實(shí)際上提高了陣列的有效性。
從4月4日開始，在為期十天的觀測(cè)時(shí)間里，被稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的天線網(wǎng)絡(luò)睜開了它的眼睛，注視著浩瀚宇宙。
望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)了兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞：一個(gè)黑洞位于銀河系的中心，重達(dá)400萬個(gè)太陽，被稱作人馬座A *（Sagittarius A*）；另外一個(gè)黑洞位于附近星系M87的核心地帶，質(zhì)量約為前者的1500倍。
此前，事件視界望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)探測(cè)過這些龐然大物的附近區(qū)域，但這是該網(wǎng)絡(luò)首次將南極望遠(yuǎn)鏡和智利66個(gè)天線構(gòu)成的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波天線陣（ALMA）囊括在內(nèi)。
阿塔卡瑪天線陣將事件視界望遠(yuǎn)鏡的敏銳度提升了10倍，甚至可以看到月球上高爾夫球大小的東西，因而可以拍攝到兩個(gè)黑洞附近小到驚人的事件視界。
多年來，天文觀測(cè)團(tuán)隊(duì)一直在討論觀測(cè)時(shí)間，給每個(gè)觀測(cè)站配備至關(guān)重要的電子裝備。但最終，他們?cè)谝恍┤肆o法掌控的因素面前束手無策：天氣。
天文學(xué)家利用毫米波無線電波來觀察這些黑洞。在這一波長(zhǎng)帶上，光可以穿透星系中心濃厚的氣體和塵埃，相對(duì)暢通無阻地朝地球行進(jìn)。
但同時(shí)水會(huì)吸收并發(fā)射無線電波，這也就意味著降水會(huì)影響觀測(cè)。
為了最大限度地減小降水的影響，射電望遠(yuǎn)鏡都架設(shè)在高海拔地區(qū)：山頂或高原沙漠。但飄來的云、雨或雪仍然會(huì)讓天文臺(tái)離線，不能正常工作。高海拔地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)也會(huì)導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡關(guān)閉。
菲什說：“各觀測(cè)點(diǎn)天氣都相當(dāng)好的幾率幾乎為零?！?/strong>
在觀測(cè)期間，天文學(xué)家們只有五個(gè)晚上的機(jī)會(huì)。菲什和同事們每天都要傷腦筋地決定是否要啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)他們還要考慮到每個(gè)站點(diǎn)當(dāng)前的天氣狀況，操心未來幾天的天氣變化情況。菲什留在麻省理工學(xué)院的觀測(cè)站點(diǎn)，在一個(gè)屏幕上持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)各站點(diǎn)的天氣情況，在另一個(gè)屏幕上與其他天文學(xué)家進(jìn)行溝通。
哈佛-史密松森天體物理中心（位于馬薩諸塞州劍橋）事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目主任謝普·杜勒曼（Shep Doeleman）說：“如果某天晚上你啟動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)，結(jié)尾卻是（壞）天氣，那實(shí)在是一件令人心碎的事。”取消觀測(cè)之后，那一晚又是好天氣也很讓人傷心。
不太好看的“花生”
現(xiàn)在，五天的觀測(cè)已經(jīng)完成。天文學(xué)家們要經(jīng)過漫長(zhǎng)的等待和幾個(gè)月的分析，才能知道他們是否能得出黑洞的影像。
每個(gè)天文臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)非常之多，無法以電子方式傳輸。所有望遠(yuǎn)鏡的信息相當(dāng)于一萬臺(tái)筆記本電腦的存儲(chǔ)容量，已經(jīng)被記錄在1,024個(gè)硬盤上。這些硬盤必須寄到事件視界望遠(yuǎn)鏡的加工中心，分別位于麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)和德國(guó)波恩的馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所。
南極望遠(yuǎn)鏡的硬盤要等到冬季結(jié)束，也就是十月底才能寄出。
一旦數(shù)據(jù)到達(dá)各個(gè)處理中心，一堆服務(wù)器將開始運(yùn)轉(zhuǎn)，整合八個(gè)觀測(cè)站帶有時(shí)間戳的電波信號(hào)。比較和整合無線電波時(shí)必須尤其小心，確保在整合時(shí)不會(huì)遺失事件視界大小、結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。
整合無線電波的技術(shù)在射電天文學(xué)中非常常見，被稱為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法（very long baseline interferometry）。但在通常情況下，望遠(yuǎn)鏡并沒有這么多，也不會(huì)分散在如此廣闊的地區(qū)。
杜勒曼說：“我們正在努力讓地球大小的網(wǎng)絡(luò)連貫一致，哪怕就是想想也是不可思議的?！?/span>
紫紅色斑點(diǎn)是螺旋星系旋臂中較小黑洞發(fā)射的明亮X射線（圖源：NASA，JPL-Caltech，DSS）
天文學(xué)家希望在整合所有信號(hào)之后，最終能看到一個(gè)圍繞在黑暗圓圈周圍的光環(huán)——黑洞的影子。新月形的光來自發(fā)光的氣體，這些氣體被加熱到數(shù)千億度。光環(huán)就在黑洞外圍，讓事件視界的區(qū)域一目了然。
法爾克說，在一些電腦模擬結(jié)果中，光環(huán)的一邊可能比另一邊更亮更厚，就好像“一顆長(zhǎng)得不夠好看的花生，不能贏得任何花生選美大賽”。
即使這次的觀測(cè)無法生成黑洞的影像，杜勒曼和同事們也已經(jīng)計(jì)劃明年再試一次，構(gòu)建一個(gè)更大的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。
法爾克說：“在接下來的十到五十年時(shí)間里，我們要將望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到非洲，最終進(jìn)入太空，我們要得到非常清晰的影像?！?br>
吞噬一切的龐然大物
雖然黑洞的名字意味著一無所有，但它實(shí)際上是宇宙中密度最大的物體，它們有巨大的引力。大質(zhì)量恒星核心重力塌縮形成恒星黑洞，可以把十個(gè)太陽壓縮成一個(gè)紐約城的大小。位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞相當(dāng)于數(shù)十億個(gè)太陽。黑洞的起源仍然是一個(gè)未解之謎。
人馬座A *（圖源：Jason Treat和Alexander Stegmaier，NGM工作人員；圖片處理Mark A. Garlick）
1974年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常緊密的無線電波波源。它來自人馬座的一個(gè)區(qū)域，距離地球26,000光年，被稱為人馬座A *（Sgr A *）。現(xiàn)在已知這個(gè)波源是位于我們星系中心的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量超過400萬個(gè)太陽。
1.奇點(diǎn)（The Singularity）：根據(jù)愛因斯坦的方程，在黑洞的中心，恒星的整體質(zhì)量已經(jīng)塌陷成一個(gè)無限密集、無尺寸的點(diǎn)。這就是奇點(diǎn)。奇點(diǎn)可能并不存在，但它其實(shí)是我們對(duì)重力的理解中一個(gè)數(shù)學(xué)意義上的洞。
2.事件視界（Event Horizon）：事件視界圍繞人馬座A *延伸的距離約800萬英里，在這一邊界之外，即便是光也無法逃脫黑洞的重力。
3.靜態(tài)極限（Static Limit）：黑洞旋轉(zhuǎn)可以扭曲空間，讓附近在軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的物體加速或減速。靜態(tài)極限是指軌道上的物體以光速運(yùn)轉(zhuǎn)，方向與黑洞旋轉(zhuǎn)的方向相反，物體保持相對(duì)靜止。
4.吸積盤（Accretion Disk）：過熱氣體和塵?？赡茉谌笋R座A *周圍以近乎光的速度旋轉(zhuǎn)。吸積盤發(fā)射熱量、無線電噪聲和X射線耀斑，但這個(gè)吸積盤和其他星系中的吸積盤相比要更加溫和。
5. X射線噴射（X-Ray Jets）：雖然今天的人馬座A *看起來一片平靜，但在兩萬年前它可能吞噬了質(zhì)量是太陽一百倍的一顆恒星或星云。這次吞噬讓黑洞的兩極向外噴射出X射線，這些射線與星系的平面成15度角。
兩星系相撞，掃過超大質(zhì)量黑洞的爆發(fā)，照亮了多個(gè)波長(zhǎng)（圖源：NASA，CXC，SAO，R.van Weeren等人）
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到的，從星系中心的超大質(zhì)量黑洞中噴出的高速粒子噴射流（圖源：NASA，ESA，STSCI）
NASA望遠(yuǎn)鏡從目前觀測(cè)到的最強(qiáng)大的超大質(zhì)量黑洞之一附近捕獲了X射線，這個(gè)黑洞距離地球約39億光年（圖源：NASA，CXC，Stanford，J.Hlavacek-Larrondo等人）
“利維坦”（微信號(hào)liweitan2014），神經(jīng)基礎(chǔ)研究、腦科學(xué)、哲學(xué)……亂七八糟的什么都有。反清新，反心靈雞湯，反一般二逼文藝，反基礎(chǔ)，反本質(zhì)。
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