人類(lèi)第一次給黑洞拍了照片 黑洞照片要怎么拍？黑洞的圖像什么時(shí)候公布

4 月 5 日開(kāi)始，一個(gè)國(guó)際合作的天文項(xiàng)目“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，EHT）開(kāi)始對(duì)兩個(gè)特殊的天體進(jìn)行觀測(cè)：距離地球 25000 光年，位于銀河系核心人馬座 A，以及距離地球 5300 萬(wàn)光年的 M87 室女座星云。觀測(cè)的目標(biāo)不是常規(guī)的天體，而是兩個(gè)疑似的超大質(zhì)量黑洞。“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的觀測(cè)將讓人類(lèi)第一次看到黑洞的真實(shí)樣子。

在現(xiàn)有的宇宙學(xué)理論中，黑洞應(yīng)該是最奇怪的天體之一了：引力密度高到光都不能逃脫，一切物理定律在黑洞內(nèi)部都會(huì)失效。因?yàn)橐γ芏葮O高，物質(zhì)在落入黑洞的時(shí)候會(huì)激發(fā)出大量熱量和 X 射線(xiàn)輻射，所以黑洞雖然在可見(jiàn)光波段完全不可見(jiàn)，但在 X 射線(xiàn)天文觀測(cè)里卻像燈塔一樣明亮。同時(shí)，引力把黑洞變成了一種非常簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到接近數(shù)學(xué)模型的天體，只需要質(zhì)量、電荷、自轉(zhuǎn)三個(gè)參數(shù)就可以描述。

那么“事件視界望遠(yuǎn)鏡”這個(gè)名字里的“事件視界”（Event Horizon）是什么意思？

上：黑洞和積吸盤(pán)的藝術(shù)想像圖/Wikipedia

下：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍下的NGC 4261 黑洞周?chē)姆e吸盤(pán)/NASA

在“事件視界望遠(yuǎn)鏡”之前，天文學(xué)觀測(cè)已經(jīng)看到了黑洞的一些邊緣證據(jù)，比如物質(zhì)落入黑洞時(shí)，因?yàn)槟Σ梁鸵ψ饔眯纬傻母邿岱e吸盤(pán)，就像馬桶放水時(shí)旋轉(zhuǎn)的漩渦，這個(gè)漩渦可能比黑洞本身要大得多。但物質(zhì)什么時(shí)候算是正式落入黑洞了呢？現(xiàn)在的天文學(xué)研究認(rèn)為，黑洞擁有一個(gè)邊界，只要跨過(guò)這個(gè)邊界，正常宇宙的一切定律，包括時(shí)間和空間在內(nèi)都會(huì)失效，任何物質(zhì)和信息都不能回頭。這個(gè)邊界就是“事件視界”。

但是同時(shí)，處在遠(yuǎn)方的觀察者，比如人類(lèi)，是無(wú)法看到物質(zhì)跨過(guò)“事件視界”的：黑洞內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)和正常宇宙完全不同，與其說(shuō)物質(zhì)是因?yàn)閺?qiáng)大的引力不能逃脫，更準(zhǔn)確的理解應(yīng)該是，黑洞內(nèi)部的空間完全扭曲，所有的方向都指向黑洞內(nèi)部，空間將和時(shí)間一樣變成單向的。按照廣義相對(duì)論的描述，理論上只能看到物質(zhì)以越來(lái)越慢的速度靠近黑洞，最終無(wú)限趨于靜止。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”就是科學(xué)家不滿(mǎn)足只看到積吸盤(pán)和輻射，想要看到黑洞本身，也就是“事件視界”附近而設(shè)計(jì)的。

但要特別注意的是，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”不是一個(gè)單獨(dú)的望遠(yuǎn)鏡，而是分布在全球的八個(gè)觀測(cè)站組成的網(wǎng)絡(luò)。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南極等幾乎覆蓋整個(gè)地球表面的觀測(cè)站，是因?yàn)槿笋R座 A 超大質(zhì)量黑洞太遠(yuǎn)了。目前推測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞大約具有 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，可以計(jì)算出它的史瓦西半徑，也就是黑洞的“直徑”大約是 2400 萬(wàn)公里，也就是 17 個(gè)太陽(yáng)的大小。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)/Nature

但在 25000 光年，也就是 24 億億公里的距離下，17 個(gè)太陽(yáng)直徑也只是分辨不出任何細(xì)節(jié)的一個(gè)點(diǎn)而已。按照美國(guó)馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學(xué)的天文學(xué)教授 Gopal Narayanan 的比喻，這大概相當(dāng)于在地球上看月球上的一個(gè)葡萄柚。所以，利用地球上八個(gè)觀測(cè)站組成網(wǎng)絡(luò)，就可以利用干涉技術(shù)一起觀測(cè)，最終產(chǎn)生可見(jiàn)的數(shù)據(jù)。

另外，這八個(gè)觀測(cè)站接收的不是人眼可見(jiàn)的可見(jiàn)光，它們都是毫米波段的射電望遠(yuǎn)鏡，也就是可以接收 1.3mm 波長(zhǎng)電磁波的大天線(xiàn)。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的主要觀測(cè)站，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）/Wikipedia

從 4 月 5 日起，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”將在天氣允許的情況下對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行大約 10 天的觀測(cè)。但在觀測(cè)結(jié)束之后，黑洞的照片可能需要幾個(gè)月的處理之后才能看到：望遠(yuǎn)鏡們每天晚上接收到的數(shù)據(jù)可能會(huì)超過(guò) 2000 TB，科學(xué)家們會(huì)在觀測(cè)技術(shù)之后把存著數(shù)據(jù)的硬盤(pán)打包運(yùn)到位于德國(guó)和美國(guó)的兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)個(gè)月，才能得到一張黑洞的“照片”。

黑洞看起來(lái)會(huì)是什么樣？因?yàn)榉浅Ｌ厥夂蜕衩兀诙床粌H在天文學(xué)中是最引人注目的課題之一，在流行文化里也是熱門(mén)話(huà)題。2014 年上映的美國(guó)科幻電影《星際穿越》（Interstellar）可能創(chuàng)造了目前細(xì)節(jié)最豐富，最接近科學(xué)真相的黑洞圖像。

《星際穿越》中的黑洞模型

在加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家基普·索恩（Kip Stephen Thorne）的帶領(lǐng)下，《星際穿越》影片給一顆名為卡岡圖雅（Gargantua）的虛構(gòu)黑洞構(gòu)建了非常震撼的黑洞圖像：黑洞本身是一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的黑色球體，明亮的積吸盤(pán)圍繞著它的赤道位置。但因?yàn)楹诙磸?qiáng)大的引力彎曲了空間，積吸盤(pán)的被扭曲成了環(huán)形，出現(xiàn)在黑洞的上下左右所有方向，讓黑洞看起來(lái)就像是一個(gè)發(fā)光的陀螺。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”最終看到的畫(huà)面可能是什么樣子的？滑鐵盧大學(xué)的模擬顯示，因?yàn)楹诙凑谛D(zhuǎn)，多普勒效應(yīng)可能會(huì)讓這張照片看起來(lái)像一個(gè)一邊亮一邊暗的漩渦。

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”最終可能看到的圖像/Nature

一切順利的話(huà)，大約在 2018 上半年“事件視界望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃會(huì)公布最終的圖像。對(duì)于天文學(xué)和物理學(xué)來(lái)說(shuō)，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”可以最終確認(rèn)黑洞存在的證據(jù)，補(bǔ)完愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，發(fā)現(xiàn)恒星和星系演化的秘密。