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一張“照片”勝過萬語千言。它將成為理解天體物理學、宇宙學和黑洞的重要工具。
人類首張黑洞照片
美國東部時間4月10日上午九點，新聞發佈會同時在華盛頓、布魯塞爾、聖地亞哥、上海、臺北和東京舉行。天文學家宣佈了“事件視界望遠鏡”（EHT）的首次成果——製作出黑洞的照片，或者精確地說，叫黑洞陰影圖像。
之所以叫“製作”照片，不叫“拍攝”照片，是因為有光、有感光器材，才有“拍攝”。而黑洞不允許任何光線逃逸，所以，人們必須找到黑洞在明亮背景上投射的影子，才能讓它“成像”。
EHT找到了。安裝在世界各地的射電望遠鏡共同工作，提供了有史以來第一個黑洞圖像。在橙黃色的映襯下，黑洞的“事件視界”清晰可辨。
一張“照片”勝過萬語千言。它將成為理解天體物理學、宇宙學和黑洞的重要工具。
(當地時間2019年4月10日，美國華盛頓，“事件視界望遠鏡”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學中心資深天文學家謝潑德杜勒曼展示人類史上首張黑洞照片。)
宇宙裡的大象
根據廣義相對論的推論，質量足夠大的恆星在聚變反應的燃料耗盡後，發生引力坍縮，形成了黑洞。
在黑洞周圍，是一個無法勘測的“事件視界”，也叫“黑洞的視界”。事件視界以外的觀察者，沒法利用任何物理方法，去獲得事件視界以內的任何消息。
事件視界是黑洞的最外層邊界，邊界裡，巨大的引力導致大量可測物質和輻射都無法逃逸，就連光線也不行。
所以，想擁有一張黑洞的照片，就成了一個持續幾十年的難題。
也許很多人在科學雜誌和科幻電影中“看見”了花樣繁多的黑洞，比如黑色的球體，各種各樣的氣體螺旋。它們就像宇宙裡的龐然大物，然而真正什麼樣，還是眾說紛紜。
基於物理學的藝術手法來表現黑洞，人們已經看了不少。但是，這些作品很難“接近”真正的黑洞。
一個原因是，地球附近沒有黑洞。黑洞距離我們都太遙遠了，太空望遠鏡拍攝的圖片都不是高清無碼大圖，而是糊成一片。而且，廣義相對論告訴我們，時空在黑洞附近以詭異的方式扭曲——這句描述在一千個藝術家看來，有一千種不同的理解方法。
另一個原因是，讓黑洞現形需要一定的“活躍度”。像安靜的黑洞，不聲不響，沒有吸入氣體，也沒有吸入什麼其他物質，根本就是不可見的。而只有那些抱著“薯片”大嚼、還把渣子灑一地的黑洞，才更有可能露出一點廬山真面目。不過，觀測活躍的黑洞也不簡單，因為大量的星際塵埃常聚集在它的周圍。
電影《星際穿越》中的黑洞形象
不過，一般來說，黑洞的圖像都有個“模板”。黑洞本身是個黑色圓圈，周圍有塵埃和氣體雲形成的吸積盤。吸積盤和土星環形成方式類似：黑洞的引力將周圍的物質向內拉，周圍的物質開始繞軌道運行，最終成了一個薄盤子。
還有一些巨大的光束，垂直於吸積盤，它們由從吸積盤噴出的過熱等離子體形成。噴流是宇宙中已知的最勁爆的現象之一，它們以略低於光速的速度前進，能從黑洞中延伸數千光年。只有最大的、最活躍的黑洞才會產生噴流。
像《星際穿越》裡描繪的黑洞，由於天文學家基普·索恩的參與，屬於比較“真實”的一類。不過，為了電影效果，導演和科學家也放棄了一個重要的黑洞組成部分——吸積盤的多普勒效應。
朝向我們的光和聲，都有更高的頻率，背對我們的則相反。所以吸積盤的一側應該更加明亮，另一側應該更加黯淡。索恩曾發佈過經過渲染後更真實的照片，但在電影裡就看不到了。
而10號發佈的“照片”裡，多普勒效應是很明顯的。
“視界面望遠鏡”團隊博士生安德魯·切爾製作的黑洞吸積盤模擬動畫。
兩頭大象中的一頭
事件視界望遠鏡並不是光學望遠鏡，而是射電望遠鏡，採用甚長基線干涉的方法增大口徑。
參與EHT觀測的射電望遠鏡有智利的ALMA，APEX——都位於阿塔卡馬，西班牙的IRAM， 墨西哥的LMT，亞利桑那的SMT，夏威夷的SMA，還有南極洲的SPT。
假如我們要觀測河中的一串漣漪，那麼在河兩岸各建一個觀察點，拿到觀察點接收到信息的時間，就能推測這串漣漪的源頭。觀察點離得越近，結果就越精確。
EHT接收的是信息是星體發射的1.33毫米的射電波，不同地區的望遠鏡用原子鐘實現時間同步，分辨率能達到哈勃望遠鏡的2000倍。
如果說之前激光干涉引力波天文臺是“聽到”黑洞的漣漪，那麼這一次EHT就是“看到”黑洞的真相。
光學照片的原理是，光學波段不同顏色或不同頻率的光子，分佈在不同的空間位置上。而對於亞毫米波段的望遠鏡來說，黑洞區域周圍不同的光子，因為輻射強度不同，就能被“照出”它們的強度分佈圖。科學家們假定不同強度對應不同的顏色，就能得出一張“照片”了。
就像此次照片裡的橙黃色，就是他們自己選的。
多年來，由於黑洞觀測的難度太大，天文學家一般宣稱的“黑洞”，通常就只有幾張模糊的照片和殘缺的數據，
黑洞的所有特徵是沒法得到全面驗證的。因此，天文數據庫裡，只有“黑洞候選星”，而沒有嚴格意義上的“黑洞”。有名的黑洞候選星也不多。位於銀河系中心的射手座A*就是一個。
SGR A*位於銀河系中央，一直處於沉睡狀態，300年前突然甦醒而被觀測到。
它是EHT關注的對象。它的質量是太陽的400萬倍，直徑大約4400萬公里。聽起來十分巨大，但對於地球上的陣列望遠鏡來說，它距離2萬6千光年，拍它跟拍月球上的一個高爾夫球差不多。
天文學家推測，射手座A*的放射源不在黑洞的中心，而是非常接近事件視界的一個亮點。
另一個關注對象是室女座超橢圓星系Messier 87中的超大質量黑洞，比射手座A*大1500倍。它距離地球5000萬光年，質量是太陽的65億倍。EHT團隊必須把地球各地的射電望遠鏡綜合利用，才能拼湊出一個更加完整的圖像。
射手座A*處於休眠狀態，它不會主動消耗大量的恆星和氣體並釋放輻射。Messier 87中的黑洞比較活躍，為了觀察它和遠處的攪動，望遠鏡必須要觀測整個電磁頻譜的範圍。
公佈的“照片”上，Messier 87中的超大質量黑洞是主角。有人叫它“甜甜圈”，有人叫它“蜂窩煤”。
愛因斯坦對了嗎？
這個項目的核心就是，200名科學家想回答兩個問題。一，簡單地拍攝黑洞，是否可行。二，愛因斯坦對黑洞的構建，是不是百分之百正確。
一百年前，愛因斯坦告訴人們黑洞的陰影的大小、形狀。今天的天文學家希望在這個陰影上放一把尺子，好測試愛因斯坦的黑洞邊界理論。研究團隊還希望建立起各種情況下的黑洞模型，再與EHT觀測的結果進行一一對比。
2017年4月份，EHT項目中，每個觀測站的數據率為32Gbit/s，8個觀測站在5天內共記錄了3500TB的數據。
根據得到的觀測數據，團隊使用GPU對黑洞環境的所有假設變量進行建模。他們製作了數百GB的3D數據來模擬可能性。光子、等離子、氣體、磁場都在模擬的模型之中。一旦得到一個模型，團隊就可以將黑洞陰影圖像與GPU處理的不同場景進行比較。
“照片”的製作，是用最先進的電子設備，最先進的統計學知識，和最先進的成像技術，進行了超大規模的組合合作。這是設備、數據、技術缺一不可的綜合性計算，使科學家得以更加逼近“事件視界”。
黑洞的“照片”將證明發生在宇宙裡的那些巨大的、難以捉摸的結構的存在——吸積盤的大小和形狀，等離子體的溫度和旋轉速度，黑洞本身是否旋轉等等。
它們在不斷前進的科學進程裡，將慢慢超出自身的”陰影“，曝光在人類熱切的目光之下。
作者 | 南風窗高級記者 榮智慧 [email protected]
排版 | GINNY
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