做黑洞研究將近20年，我常常被人問到“黑洞是什么樣的”，說實(shí)話，我并不確定。
除了在論文課件中自制的效果圖，第一次“親眼”看到黑洞形象是2015年在電影院里，銀幕上是《星際穿越》中的黑洞“卡岡圖雅”——深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓環(huán)——相對(duì)論物理學(xué)家基普·索恩為影片設(shè)計(jì)的黑洞形象，和想象中的相差無幾。從廣義相對(duì)論推知而來的黑洞，就存在于宇宙深處，這一點(diǎn)在21世紀(jì)的今天或已無可置疑。黑洞確鑿地存在于無數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)之中，但我們并不知道它在現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)模樣。
電影《星際穿越》當(dāng)中的黑洞，周圍的亮環(huán)是由氣體構(gòu)成的吸積盤。
如今，人類終于要為黑洞拍下第一張真正的照片了。
就在今年的4月5日到14日之間，來自全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家們將開展一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測(cè)計(jì)劃，利用分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，人類或?qū)⒌谝淮慰吹胶诙吹囊暯缑?。這個(gè)虛擬的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)被稱為“視界面望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope， EHT），其有效口徑尺寸將達(dá)到地球直徑大小。
人類在2015年第一次聽到了兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)合并所產(chǎn)生的引力波之聲，如今科學(xué)家們又在為親眼目睹黑洞真容而努力了。不過，因?yàn)橐暯缑嫱h(yuǎn)鏡要處理的數(shù)據(jù)量巨大，為黑洞“洗照片”的耗時(shí)恐怕有些漫長(zhǎng)，黑洞的面貌究竟是否真如作家、藝術(shù)家或電影導(dǎo)演所呈現(xiàn)的那般，我們要到2018年才能知道了。
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)——視界面望遠(yuǎn)鏡都意義非凡，這是我們?cè)诤诙从^測(cè)史上邁出的重要一步。觀測(cè)結(jié)果不僅僅是一張照片那么簡(jiǎn)單，它一方面呼應(yīng)著愛因斯坦的廣義相對(duì)論，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。
無圖無真相，科學(xué)家怎么知道黑洞在那里？
盡管“黑洞”（black hole）一詞在1968年才由美國(guó)天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出來，但早在1783年，英國(guó)地理學(xué)家約翰·米歇爾（John Michell）便已經(jīng)意識(shí)到：一個(gè)致密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。這也是普通人在今天對(duì)于黑洞的最基本認(rèn)識(shí)：吸入所有一切，連光都逃不來。
既然想一睹黑洞“芳容”，我們對(duì)這個(gè)遙遠(yuǎn)天體的認(rèn)識(shí)就得再多些。黑洞的幾乎所有質(zhì)量都集中在最中心的“奇點(diǎn)”處，“奇點(diǎn)”在其周圍形成一個(gè)強(qiáng)大的引力場(chǎng)，在一定范圍之內(nèi)，連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”——顧名思義就是視線所能到達(dá)的界面。
你大概感到好奇：登山家們勇攀高峰的原因是“山就在那里”，可是，既然天文學(xué)家們根本看不到黑洞，他們是怎么確定“黑洞就在那里”的呢？
黑洞自身不發(fā)光，難以直接探測(cè)，大大小小的望遠(yuǎn)鏡對(duì)于直接觀測(cè)遙遠(yuǎn)黑洞力不能逮?？茖W(xué)家們便只能夠“曲線救國(guó)”，采用一些間接方式來探測(cè)黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。在某些時(shí)候，恒星量級(jí)（從3個(gè)太陽質(zhì)量到100個(gè)太陽質(zhì)量大?。┑暮诙磿?huì)存在于一個(gè)恒星周圍，將恒星的氣體撕扯到它自己身邊，產(chǎn)生一個(gè)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(chǎng)的作用下被沿轉(zhuǎn)動(dòng)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，所以很容易被科學(xué)家探測(cè)到，黑洞的藏身之處也就暴露了。
理論很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。以我們的銀河系為例，根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個(gè)恒星量級(jí)的黑洞，可到目前為止，我們只確認(rèn)了20多個(gè)黑洞的存在，此外還有4、50個(gè)黑洞候選體。要最終真正確認(rèn)一個(gè)天體是否為黑洞，我們還需要做出更多測(cè)量與計(jì)算。要探測(cè)一個(gè)從幾十萬個(gè)太陽質(zhì)量到幾十億甚至上百億個(gè)太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，挑戰(zhàn)就更大了，科學(xué)家們?yōu)榱舜_認(rèn)銀河系中心黑洞Sgr A*的存在，著實(shí)費(fèi)了不少力氣。
恒星級(jí)黑洞系統(tǒng)示意圖。
望向銀河中心黑洞的視界面，猶如在地球上看月球上的橙子。
發(fā)現(xiàn)黑洞已如此不易，給它拍照豈不是更難？從17世紀(jì)初人類發(fā)明望遠(yuǎn)鏡至今，天文望遠(yuǎn)鏡的口徑已變得越來越大，從最早的2.5厘米口徑，到目前最大的10米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，還有我國(guó)貴州的500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，下一代更大口徑的望遠(yuǎn)鏡也正在計(jì)劃或建設(shè)當(dāng)中，這些望遠(yuǎn)鏡無一不凝結(jié)了人類的智慧，甚至代表了人類社會(huì)的最高科技水平。然而要想觀測(cè)遙遠(yuǎn)黑洞，依靠目前任何單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
因此，在過去10多年時(shí)間里，麻省理工學(xué)院（MIT）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(dòng)人心的“視界面望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡將同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)。這八兄弟北至西班牙，南至南極，它們將向選定的目標(biāo)撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，為我們勾勒出黑洞的模樣，這些望遠(yuǎn)鏡分別是：1. 南極望遠(yuǎn)鏡（South Pole Telescope）、2. 位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA）、3. 位于智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（Atacama Pathfinder Experiment）4. 墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（Large Millimeter Telescope）、5. 位于美國(guó)亞利桑那州的Submillimeter Telescope、6. 位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）、7. 位于夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Submillimeter Array）、8. 位于西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡。它們多數(shù)都是單一望遠(yuǎn)鏡，比如夏威夷的JCMT和南極望遠(yuǎn)鏡；也有望遠(yuǎn)鏡陣列，比如ALMA望遠(yuǎn)鏡是由70多個(gè)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。
望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖，紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地。
視界面望遠(yuǎn)鏡此次觀測(cè)目標(biāo)主要有兩個(gè)，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中的黑洞。之所以選定這兩個(gè)黑洞作為觀測(cè)目標(biāo)，是因?yàn)樗鼈兊囊暯缑嬖诘厍蛏峡雌饋硎亲畲蟮?。其它黑洞因?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)或質(zhì)量大小有限，觀測(cè)的難度更大。
Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個(gè)太陽，所對(duì)應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，相當(dāng)于17個(gè)太陽的大小。嘩，超大！然而……地球與Sgr A*相距2萬5千光年（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，就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。M87中心黑洞的質(zhì)量達(dá)到了60億個(gè)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(duì)我們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大那么一點(diǎn)兒。
8個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)看到2個(gè)黑洞，每年只有10天窗口期。
要想看清楚兩個(gè)黑洞視界面的細(xì)節(jié)，視界面望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。要多高呢？比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上。
科學(xué)家們之前可以利用單個(gè)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)黑洞周圍恒星位置的測(cè)量，但是，相較于恒星與黑洞之間的距離尺度（1萬億公里），視界面的尺度太微小了（至少小10萬分之一倍），因此利用單個(gè)鏡面很難完成。這時(shí)候，為了增強(qiáng)空間分辨率，我們就需要使用“干涉”技術(shù)了，即利用多個(gè)位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟。在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑的大小，所以，視界面望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于一部口徑為地球直徑大小的射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。
在此視界面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)之前，天文學(xué)家們已經(jīng)利用其中部分毫米望遠(yuǎn)鏡對(duì)Sgr A*和M87星系中心黑洞進(jìn)行了聯(lián)合觀測(cè)，并得到了一些令人興奮的結(jié)果：盡管沒能看清黑洞視界面，但已探測(cè)到了黑洞中心區(qū)域的輻射。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?cè)诖舜芜M(jìn)行觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。要保證所有8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，留給科學(xué)家們的觀測(cè)窗口期非常短暫，每年只有大約10天時(shí)間（對(duì)于2017年來說，是在4月5日到4月14日之間）。在所有參與觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中，坐落于智利、耗資140億美金的ALMA毫米望遠(yuǎn)鏡是最為重要的一個(gè)，因?yàn)槠潇`敏度是目前單陣列當(dāng)中最高的，但它的觀測(cè)時(shí)間也是最為寶貴的。限于ALMA望遠(yuǎn)鏡滿滿的排班表上一系列擁擠的觀測(cè)計(jì)劃，此次黑洞視界面的觀測(cè)目前只計(jì)劃進(jìn)行4-5天，其中兩個(gè)晚上將對(duì)銀河系中心黑洞Sgr A*進(jìn)行觀測(cè)，剩下的時(shí)間將會(huì)對(duì)星系M87黑洞展開觀測(cè)。
位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣（ALMA）望遠(yuǎn)鏡。
除了黑洞“芳容”幾何，這一觀測(cè)還將為我們解答諸多問題。
給黑洞拍張照片不容易，“洗照片”更是耗時(shí)漫長(zhǎng)。射電望遠(yuǎn)鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息，用數(shù)據(jù)向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子。
對(duì)于之前的干涉儀來說，因?yàn)椴煌h(yuǎn)鏡之間的距離不會(huì)太遠(yuǎn)，不同位置的觀測(cè)數(shù)據(jù)通?？梢詫?shí)時(shí)比較、合并而后得到圖像，科學(xué)家們是有可能實(shí)時(shí)在屏幕上看到圖像的。但對(duì)于此次跨越南北半球的視界面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，因其所涉及的站點(diǎn)區(qū)域非常廣闊，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將十分龐大。視界面望遠(yuǎn)鏡每一個(gè)晚上所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達(dá)2PB（1PB=1000TB=1000000 GB），和歐洲大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量差不多。考慮到有些區(qū)域（比如南極）的數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較慢，所以科學(xué)家們?cè)谟^測(cè)時(shí)不會(huì)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)分析，所以更不可能在屏幕上看到黑洞的實(shí)時(shí)圖像。在每一個(gè)觀測(cè)中心，科學(xué)家們將利用提前校對(duì)好的原子鐘時(shí)間，對(duì)每一個(gè)電磁波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行分別標(biāo)定和存盤，等到觀測(cè)結(jié)束之后再匯總比較。
在觀測(cè)結(jié)束之后，各個(gè)站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)將被匯集到兩個(gè)數(shù)據(jù)中心（分別位于美國(guó)麻省Haystack天文臺(tái)和德國(guó)波恩的馬普射電所）。在那里，大型計(jì)算機(jī)集群將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行合并與分析，從而產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于黑洞的圖像。這一分析所需的時(shí)間少則半年，長(zhǎng)則一年。即便是最樂觀的情況，我們也要等到2018年初才能“看見”黑洞了。
萬事具備，只欠東風(fēng)。設(shè)備準(zhǔn)備就緒之后，剩下一個(gè)非常重要的因素，就是天氣以及觀測(cè)時(shí)間了。因?yàn)榇髿庵械乃畬?duì)這一觀測(cè)波段的影響極大，要想視界面望遠(yuǎn)鏡順利觀測(cè)，需要所有8個(gè)望遠(yuǎn)鏡所在地（從夏威夷到智利，從墨西哥到南極）的天氣情況都非常好。目前這些望遠(yuǎn)鏡所在之處通常都是位于海拔較高，另外降雨量也是極少，所以全部晴天的概率其實(shí)非常高。
當(dāng)所有數(shù)據(jù)被合并，最終得到圖像時(shí)，包括我在內(nèi)的天文學(xué)家們希望看到這樣一副圖像：一個(gè)黑色的圓盤，被一個(gè)非?？拷诙匆暯缑?、很亮的光子圓環(huán)所圍繞；因?yàn)楹诙崔D(zhuǎn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)，光子圓環(huán)一側(cè)較亮，另外一側(cè)較暗。視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)對(duì)于科學(xué)研究有著非常重大的意義。天文學(xué)家們希望能夠通過這一觀測(cè)結(jié)果，對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論做出最為嚴(yán)格的限制。與此同時(shí)，黑洞圖像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。當(dāng)然，這是科學(xué)家心中的理想圖景，實(shí)際得到的黑洞圖像可能要差很多。但無論最終的圖像如何，即便是只能夠看到幾個(gè)像素，此次視界面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)也將是人類黑洞觀測(cè)史上的重要一步。我們是何其幸運(yùn)，將成為這宇宙中第一批親眼看到黑洞的碳基生物。
視界面望遠(yuǎn)鏡可能得到的計(jì)算機(jī)模擬黑洞圖像，因?yàn)楹诙崔D(zhuǎn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)，黑洞左側(cè)較亮。
出品：科普中國(guó)
制作：黑洞來客團(tuán)隊(duì) 茍利軍 黃月
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
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