事件視界望遠鏡，一個行星尺寸的地面射電望遠鏡陣列，成功獲得了一個超大質量黑洞及其影子的第一張圖像。該圖像是室女座星系團中星系M87中心的一個黑洞。
供圖：EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION
大約5500萬光年之外，巨大的橢圓形星系M87中心，潛伏著一頭“巨獸”，默默地吞噬著任何接近它的物質。恆星、行星、氣體、塵埃，甚至是光線，只要經過它的事件視界，就無法逃脫這頭巨獸的束縛。
昨天，科學家揭開了這頭巨獸的面紗，公佈了它的照片：這個超大質量黑洞的質量是太陽的65億倍。這張照片中，圓形的空洞之外，是一個不勻稱的光環。這張里程碑式的圖像，是世界上第一張黑洞輪廓的圖像，讓我們得以一窺黑洞“大胃口”的模糊邊緣。
這張圖像是事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）項目所取得的非凡成就。200多位科學家，利用分佈在世界各地的天文臺陣列，共同參與了這張圖像的觀測與繪製。這些望遠鏡陣列結合起來，口徑相當於地球的直徑，自從2017年4月盯著這個黑洞開始，足以收集PB（1024TB）級別的數據。之後，科學家花了兩年時間，才處理好了這張圖像。
此前，人類通過黑洞吸入的超熱物質所發出的輻射，或黑洞噴射出來的帶電粒子流，或通過觀察到恆星似乎圍繞著奇異的天體運轉，從而獲得黑洞存在的間接證據。
“我們研究黑洞太久了，有時候就會忘記其實我們誰也沒有見過它的樣子。” 美國國家科學基金會主席France Cordova在公佈這張圖像的新聞發佈會上說道。
“今天，我們很高興能向你們報告，我們已經看到了之前以為看不到的東西。”哈佛-史密森天體物理研究所的項目負責人Shep Doeleman說道，“你們所看到的是一個事件視界存在的證據……現在我們擁有了黑洞存在的目視證據。”
夜空下的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），ALMA是事件視界望遠鏡網絡的重要組成部分。
攝影：BABAK TAFRESHI
昨天，《天體物理學雜誌快報（Astrophysical Journal Letters）》上發表的6篇論文描述了這場絕妙的觀測試驗、觀測過程，以及該圖像所揭示的諸多細節。主要看點之一在於，可以更加直接地計算黑洞的質量，因為其質量與繞它運轉的恆星運動緊密相關。這些數據還隱含著一些線索，科學家可以分析出某些超大質量黑洞是如何把巨大的粒子流以接近光速的速度拋射出來的。
“真的很了不起！某種程度上，甚至讓人感到自身的卑微。大自然謀劃了一番，讓我們看到了我們以為看不見的東西。”Doeleman說到。
橢圓形星系M87，是室女座星系團的主要成員之一，包含著數萬億顆恆星、一個超大質量黑洞和大約15000個球狀星團。相比之下，我們的銀河系只含有幾千億顆恆星和大約150個球狀星團。
M87的中心閃耀著一個巨大的宇宙“探照燈”：一個黑洞以接近光速的速度向外拋射亞原子粒子流。在這張哈勃望遠鏡拍攝的圖像中，藍色的噴流，與M87中恆星和恆星團發出的黃色光形成鮮明對比。
供圖：NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); ACKNOWLEDGMENT: P. COTE (HERZBERG INSTITUTE OF ASTROPHYSICS) AND E. BALTZ (STANFORD UNIVERSITY) (上圖) AND PHOTOGRAPH BY NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA) (下圖)
相當於拍攝月球上的橘子
起初，事件視界望遠鏡的目的是為了給我們銀河系中心的一個超大質量黑洞拍照。這個黑洞名曰人馬座A*，質量只相當於400萬顆太陽，與M87中心的黑洞相比簡直是小巫見大巫。由於M87黑洞是最近、最大的黑洞之一，因此，該團隊決定把望遠鏡也指向它，期望能最終把兩個黑洞進行對比。
觀測銀河系中心的黑洞，反而比觀測旁邊星系的黑洞更加複雜，因此，科學家才先發布了M87黑洞的圖像。
與單次快照不同，事件視界望遠鏡的圖像，與哈勃太空望遠鏡拍攝的許多精美圖像一樣，也用到了干涉測量法，結合了多個望遠鏡的觀測結果。當科學家用多架望遠鏡同步觀測同一天體時，就可以校對觀測結果，好像在用一架口徑是這些望遠鏡彼此間距的巨型望遠鏡進行觀測。
超大質量黑洞與周圍的星系相比，尺寸其實很小。為了解析出這些黑洞，研究團隊需要協調世界各地的望遠鏡觀測功率。最終，設在墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、智利和西班牙的6個天文臺把目光對準了室女座星系團中最大的星系M87。這張望遠鏡網絡，好似一個口徑相當於地球直徑的望遠鏡，所能解析的天體，相當於哈勃望遠鏡所能解析的萬分之一。
事件視界望遠鏡項目成員、美國加州理工學院的Katie Bouman解釋說：“我們努力觀測的目標在天空中其實非常非常小，就好像你要拍攝月球上的一個橘子一樣。”
連續數日，該團隊以短波波長觀測M87，因為電波能穿透星系中心所縈繞的塵埃和氣體。在此期間，該團隊收集的數據量十分龐大，高達5PB（1PB=1024TB）。要傳輸這些數據，通過網絡方式肯定不行，唯一可行方式就是把直接運輸硬盤。
團隊成員、美國亞利桑那大學的Dan Marrone說：“5PB的數據非常大，相當於能播放5000年的MP3，或者說，根據我看過的一項研究，相當於40000人一生的自拍總和。”
之後，由於把不同的觀測數據相結合也並非易事，因此，4個團隊運用不同的算法，用不同的數據模型進行檢驗，分別對數據進行處理。最終，每個團隊所產生的圖像十分相似，表明這些觀測都很可靠，而且最終的圖像也是儘可能精確的。準確地說，這次發佈的圖像，與該團隊前幾年所模擬出的圖像幾無二致。
團隊成員、荷蘭阿姆斯特丹大學的Sera Markoff說：“太可怕了，幾乎跟我們預測的一模一樣。我總是時不時地在手機上看它。”
不久之後，該團隊幾乎發佈距我們地球最近、最親密的超大質量黑洞的圖像。不過，雖然人馬座A*黑洞更近一些，你們也千萬別以為它的寫真會被剛剛發佈的這張圖像更清晰銳利。
英國劍橋大學的教授及英國皇家天文學家Martin Rees爵士說：“M87的距離遠2000倍左右，但它的黑洞也要大2000倍左右。它們在天空中的角大小是一樣的。”
美國夏威夷的冒納凱阿（Mauna Kea）火山上林立著多個天文臺，其中就包括參與事件視界望遠鏡2017年觀測項目的詹姆斯•克拉克•麥克斯韋爾望遠鏡（左起第二）。
攝影：BABAK TAFRESHI
65億顆閃耀的太陽
現在，有了這張圖像之後，科學家們可以開始探索黑洞物理學更深處的奧秘，比如確認黑洞的基礎構成。
Rees說：“我們很想從這些觀測中知道的是，這些黑洞的性質，是否真如愛因斯坦所預測的那樣？”
截至目前，從某種程度上說，愛因斯坦似乎是對的。儘管這位著名的物理學家對黑洞是否真正存在一直持懷疑態度，但是，他在1915年發表的廣義相對論方程的解曾預言稱，如果黑洞這種超大質量的天體在宇宙中廣泛存在，那麼，它們應該是球形的，就像是嵌在一圈光亮中的一團黑影。
永遠吃不飽的怪獸
儘管黑洞的名字似乎暗示著虛空，但是，黑洞其實是宇宙中密度最大的天體，因為它們的引力十分強大。巨型恆星坍縮而成的恆星型黑洞，能把10個太陽的質量壓縮到紐約市大小。星系中心的超大質量黑洞的質量，堪比幾十億顆太陽，它們的起源仍是未解之謎。
JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF. ART BY MARK A. GARLICK
SOURCES: AVERY BRODERICK, PERIMETER INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS, UNIVERSITY OF WATERLOO, CANADA; UCLA GALACTIC CENTER GROUP
M87
1781年，天文學家查爾斯•梅西耶（Charles Messier）在室女座中發現了一個亮點，即梅西耶87（M87）。星系M87遠在5500萬光年之外，包含著幾萬億顆恆星。在該星系中心，有一個非常緻密的射電電波源頭：質量約相當於65億顆太陽的超大質量黑洞。
1.奇點
根據愛因斯坦的方程，在黑洞的中心，一個恆星的所有質量坍縮成了一個密度無限大而又沒有緯度的點，名為奇點。奇點可能實際上不存在，但在我們對重力的理解中，奇點卻指向了一個數學上的“洞”。
2.事件視界
圍繞在M87黑洞周圍約113億千米範圍內的視界，即為光都無法逃出黑洞引力的邊界。
3.靜態極限
黑洞的旋轉會扭曲空間，使環繞在其周圍的物質公轉速度加快或減慢。在某些環繞軌道上，某些物體以光速相對於黑洞的旋轉而運動，從而看上去像是靜止狀態。這一軌道即為靜態極限。
4.吸積盤
M87黑洞周圍有一圈以接近光速旋轉的超熱氣體和塵埃盤。這個盤面能發射出熱、無線電噪聲和X射線，其中某些X射線長達10萬光年。
5.X射線噴流
一百多年前，天文學家就發現了來自於M87的“直射光線”。當繞著中心黑洞旋轉的超熱氣體沿著強烈的磁場線射出時，就會形成這種強烈的噴流。當電子沿著這些磁場線旋轉時，就會產生各種波長的輻射，從無線電到X射線不等。
M87的圖像與愛因斯坦的預言相符，不過，外側的一圈亮光有點不均勻，看起來像是一個腫脹的甜甜圈。不過，這也在預料之中。環繞在黑洞周圍的物質形成了一個發光的圓盤，由於這個圓盤的一側在朝著我們運動，因此，這部分就會更明亮一些。
“整個東西都在運動，因此，某一部分是在朝著我們發光，所以啊，《星際穿越》錯了！” Markoff認為2014年的那部電影中所展現的黑洞景象不太準確。她補充道：“看這張圖像，與望向時空中的某個黑洞，是大相徑庭的。”
根據M87黑洞的事件視界，研究團隊測算出這個黑洞的質量大約相當於65億顆太陽，與根據繞其旋轉的恆星的運動而間接估測的質量範圍恰好相符。不過，問題在於，科學家們估測黑洞質量常用的方法，是根據繞黑洞運轉的氣體的運動來計算，而用這種方法計算出的黑洞質量比此次發佈的黑洞質量要小得多。如果兩者相差較大，那麼，科學家們就需要弄清楚其中的原因。
美國普林斯頓大學的天體物理學家Jenny Greene說：“我們把擁有氣體動態的星系按比例放大了，因此，現在非常關鍵，應該把這種方法進行適當地校準。”
但是，儘管新的數據能幫我們計算出黑洞的質量，但要讓研究團隊說出M87黑洞的事件視界有多大，還是有點兒難。正如我們經常看到的那樣，物體的輪廓或陰影的邊緣很模糊，這張圖像中的黑圈也是一樣。計算這個黑洞直徑所需要的一系列參數目前都還是未知數，比如黑洞自轉的速度是多快，它在太空中的確切定位在哪裡。
如果把這個黑洞放在我們的太陽系裡，它的事件視界可能遠在冥王星的軌道之外，可能比地日距離的120倍還遠。
有意思的是，這意味著，你可能從M87黑洞的事件視界穿過而不自知，因為這個黑洞如此巨大，以至於在這個點上，時空幾乎並不會發生彎曲。此處，M87黑洞的巨大引力對你頭部和腳部的引力可能是相同的。但是，當你再近一步，時空曲率驟增，你最終會被拉成垂直而細長的一根麵條。這時候，你肯定會覺察出來，因為，你一定開始感覺到不舒服。
噴射器
沒人知道身處黑洞的中心——奇點是什麼感受。在宇宙這塊絨布上出現的這個針孔，周圍是彎曲的、奇特的時空，任何東西都無法逃脫。
然而，這張新圖像將幫助科學家更好地理解M87黑洞的外側，尤其是以接近光速傳播的高能帶電粒子。M87黑洞外側可見的噴流直徑約為4900光年，在周圍的宇宙背景中非常惹眼。
黑洞還會把物質拋射到太空中去？這與它只會吸入物質的設定似乎有些矛盾。這種奇異的天體真是讓人困惑至極。
加拿大麥吉爾大學的Daryl Haggard說：“黑洞推開物質的能力，與它們吸引物質的能力是一樣的。”他指出，科學家們真的不知道黑洞是怎麼產生噴流的。
通過觀測M87黑洞的事件視界，以及光和物質的交接處，科學家們或許能夠解開這一難題。此前，多個天文臺曾對準這個黑洞，試圖解開黑洞噴流的動力源。
Markoff說，這類噴流似乎起源於事件視界周圍所環繞物質，這個區域叫作“能層（ergosphere）”。在能層裡，時空永不靜止，永遠在旋轉。這個環境中的磁場線非常強烈，氣體高達幾百萬度，各種粒子以近乎不可能的速度飛著。這些因素在微觀尺度上的交互作用，似乎激發出噴流中蘊含的巨大能量。
Markoff說，把M87黑洞相對活躍的噴流，與我們銀河系黑洞最終的圖像對比後，“我們將更好地理解黑洞勢力的興衰，對我們宇宙漫長曆史的影響。”
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