給黑洞“拍照”

人馬座 A*（Sgr A*）是一個(gè)位于銀河系中央，離我們約 26 000 光年，距離地球最近的超大質(zhì)量黑洞。根據(jù)理論的預(yù)測(cè)，在觀測(cè)黑洞時(shí)，我們會(huì)看到一個(gè)陰影，被明亮的光芒環(huán)繞。陰影之內(nèi)隱藏著黑洞真正的邊界，即事件視界（event horizon），包括光線在內(nèi)的任何物質(zhì)一旦跨過(guò)邊界，就無(wú)法從黑洞強(qiáng)大的引力場(chǎng)中逃脫。

雖然我們無(wú)法直接觀測(cè)到來(lái)自事件視界的電磁波，但黑洞周圍吸積的大量高熱物質(zhì)所發(fā)出的電磁波，也能成為天文學(xué)家研究黑洞的重要線索。在 20 世紀(jì) 90 年代，科學(xué)家已經(jīng)在 3.5 毫米（mm）波長(zhǎng)對(duì) Sgr A* 進(jìn)行了觀測(cè)，但是效果并不理想。因此從上世紀(jì) 90 年代末開(kāi)始，EHT 發(fā)起者和首任主管、美國(guó)哈佛大學(xué)資深研究員謝潑德·多爾曼（Sheperd Doeleman）和同事希望將觀測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)向波長(zhǎng) 1.3 mm 的波，他說(shuō)這是為了把握“宇宙級(jí)的巧合”。他解釋，這樣的亞毫米波由緊鄰黑洞邊緣的熾熱氣體發(fā)出，既不容易被這些熾熱的氣體散射，也不容易被銀河系中較冷的氣體散射，因而能夠一路穿過(guò)廣袤的宇宙抵達(dá)地球，被高海拔地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡捕獲。

望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于觀測(cè)波長(zhǎng)和望遠(yuǎn)鏡口徑的比值。一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波長(zhǎng)越短，圖像分辨率就越高。多爾曼團(tuán)隊(duì)利用設(shè)在美國(guó)夏威夷、亞利桑那州和加利福尼亞州的多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，然后將數(shù)據(jù)匯總處理，這相當(dāng)于得到了一臺(tái)超大型望遠(yuǎn)鏡。這是射電天文學(xué)中常用的觀測(cè)手段，稱為甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)（VLBI）。

但是，改變觀測(cè)波長(zhǎng)意味著需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行重大改進(jìn)。多爾曼說(shuō)：“對(duì)于 1.3 mm 波長(zhǎng)，望遠(yuǎn)鏡上原有的探測(cè)器的靈敏度不如 3.5 mm 波長(zhǎng)那么理想，因此我們需要開(kāi)發(fā)一套全新的 VLBI 設(shè)備，以便用更快的速度、更大的帶寬進(jìn)行記錄。”相關(guān)的電子設(shè)備和原子鐘也需要進(jìn)行升級(jí)。而且，項(xiàng)目中的一些望遠(yuǎn)鏡此前不支持 VLBI 技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)需要到觀測(cè)點(diǎn)安裝相應(yīng)的設(shè)備。

這一切努力在當(dāng)時(shí)完全是一場(chǎng)冒險(xiǎn)。多爾曼回憶：“在 20 世紀(jì) 90 年代，利用位于西班牙和法國(guó)的望遠(yuǎn)鏡在 1.3 mm 波長(zhǎng)得到的測(cè)量結(jié)果中，陰影的特征非常不清晰，無(wú)法生成圖像，也無(wú)法測(cè)量它的大小......當(dāng)時(shí)我們都不清楚 EHT 項(xiàng)目是否可行。有人懷疑不值得朝這個(gè)方向繼續(xù)努力，但也有人覺(jué)得我們應(yīng)該再次嘗試，看看能不能得到更精確的觀測(cè)結(jié)果?！?/span>

到 2008 年，多爾曼團(tuán)隊(duì)終于完成了對(duì) Sgr A* 陰影的觀測(cè)，結(jié)果完全符合理論預(yù)測(cè)?！爱?dāng)我第一次看到來(lái)自 Sgr A* 的信號(hào)，我久久地盯著計(jì)算機(jī)屏幕，不敢相信自己看到了什么，”多爾曼回憶，“那是一個(gè)奇妙的發(fā)現(xiàn)時(shí)刻，我希望所有的科學(xué)家都能體驗(yàn)?！?/span>

直到這一刻，科學(xué)界才確信：對(duì)黑洞拍照完全可行。

一張“拍了 5 年”的照片

可行性得到驗(yàn)證之后，EHT 項(xiàng)目迅速走上正軌。2017 年 3-5 月，8 臺(tái)分別位于南極洲、智利（2 臺(tái)）、墨西哥、美國(guó)亞利桑那州、美國(guó)夏威夷群島（2 臺(tái)）和西班牙的射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成了一架虛擬的、地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)準(zhǔn)了 Sgr A* 和另一個(gè)超大質(zhì)量黑洞——位于室女座超巨橢圓星系 M87 中央的 M87*。

M87* 距離地球 5500 萬(wàn)光年。2009 年 6 月，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的卡爾·格布哈特（Karl Gebhardt）和德國(guó)加爾興馬普地外物理研究所的延斯·托馬斯（Jens Thomas）合作，測(cè)定出這個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于 64 億顆太陽(yáng)——足以使它剪影的直徑“膨脹”到 Sgr A* 剪影的 3/4。所以它成為了人類觀測(cè)的第一個(gè)目標(biāo)。

兩年后的 2019 年 4 月 10 日，EHT 在全球六地（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和臺(tái)北、日本東京和美國(guó)華盛頓）同步召開(kāi)全球新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布了 M87* 的照片，這也是人類首張黑洞照片。

然而，距離我們最近的 Sgr A* 卻遲遲不愿“顯露真容”。這個(gè)銀河系中心黑洞，質(zhì)量大約相當(dāng)于 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)。它的視界在天空中的張角只有 50 微角秒，大約相當(dāng)于月球上的一張 DVD。由于 Sgr A* 比 M87* 黑洞小約千倍，因此周圍氣體運(yùn)行速度更高，軌道周期僅為幾分鐘（M87* 氣體軌道周期為數(shù)天），導(dǎo)致成像相比 M78* 更加困難。

在這次公布的最新圖像，是 ETH 通過(guò)將數(shù)千張使用不同成像方法得到的圖像疊加生成的代表性圖像。這一成果為與黑洞和星系重要環(huán)境相關(guān)的進(jìn)一步研究提供了有價(jià)值的線索，可幫助了解極端環(huán)境下的引力和其他物理學(xué)、黑洞與周圍環(huán)境的相互作用。

下一個(gè)目標(biāo)：黑洞小視頻

下一代 EHT（ngEHT）計(jì)劃已經(jīng)于 2019 年 9 月宣布啟動(dòng)。多爾曼希望，在 VLBI 陣列中加入約 10 臺(tái)口徑 6 米或 8 米的望遠(yuǎn)鏡，對(duì) 1.3 mm 到 0.87 mm 波段進(jìn)行同步觀測(cè)，目標(biāo)是在 2030 年之前得到第一個(gè)黑洞視頻。

談及望遠(yuǎn)鏡的選址，多爾曼說(shuō)：“我們希望把它們安裝在高海拔地區(qū)，因?yàn)椋拷乇淼模┧魵鈺?huì)吸收一部分來(lái)自黑洞的射電信號(hào)。我們還希望新加入的望遠(yuǎn)鏡離現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)一些，以更好地填補(bǔ)數(shù)據(jù)空缺。我們還希望當(dāng)?shù)匾呀?jīng)具備一些資源和基礎(chǔ)設(shè)施，包括供水、供電和交通。”由于西藏、青海、新疆等省份擁有較好的觀測(cè)條件，目前中國(guó)也在考慮在這些地區(qū)建立自己的觀測(cè)設(shè)備。

多爾曼認(rèn)為，我們正處在一個(gè)黑洞大發(fā)現(xiàn)新時(shí)代的開(kāi)端。EHT 已經(jīng)和美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）、歐洲處女座引力波探測(cè)器（Virgo）開(kāi)展合作，對(duì)相對(duì)論進(jìn)行更加細(xì)致的檢驗(yàn)，更全面地揭露宇宙的真相。LIGO 和 Virgo 能夠探測(cè)黑洞合并時(shí)發(fā)出的引力波信號(hào)，這些黑洞的質(zhì)量只有太陽(yáng)的幾十倍，被認(rèn)為是大型恒星坍縮的產(chǎn)物；相比之下，EHT 觀測(cè)的目標(biāo)質(zhì)量能達(dá)到太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍。這些差異巨大的黑洞將讓科學(xué)家能夠在更廣的范圍內(nèi)檢驗(yàn)物理學(xué)理論。多爾曼說(shuō)：“廣義相對(duì)論的適用范圍似乎跨越了十個(gè)億的數(shù)量級(jí)，我覺(jué)得這點(diǎn)非常有趣。”

在更遠(yuǎn)的未來(lái)，黑洞觀測(cè)還將走進(jìn)太空。由于 VLBI 網(wǎng)絡(luò)的等效口徑取決于望遠(yuǎn)鏡之間的最大距離，而如今的 EHT 觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍及地表，那么要想得到比地球尺寸更大的望遠(yuǎn)鏡，就需要將新的望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空。并且由于太空中沒(méi)有大氣層的阻礙，空間望遠(yuǎn)鏡可以對(duì)更短的波長(zhǎng)進(jìn)行觀測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。包括 EHT 在內(nèi)的許多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行模擬計(jì)算，探討如何實(shí)施這一設(shè)想。

而且，通過(guò)在太空中建設(shè)觀測(cè)裝置從而得到精度上的提高的不只是 EHT 等電磁波探測(cè)項(xiàng)目，引力波探測(cè)也一樣。全球已經(jīng)有多個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃在地球軌道甚至繞日軌道上建設(shè)由多個(gè)衛(wèi)星，來(lái)組成超高精度的激光干涉引力波探測(cè)器，例如歐洲航天局（ESA）的激光干涉空間天線（LISA）任務(wù)、日本的分赫茲干涉引力波天文臺(tái)（DECIGO），以及中國(guó)的天琴計(jì)劃和太極計(jì)劃。這些計(jì)劃多已完成項(xiàng)目規(guī)劃和衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證，將在未來(lái) 10-15 年開(kāi)展觀測(cè)，為科學(xué)家?guī)?lái)關(guān)于黑洞，尤其是形成于宇宙誕生時(shí)期的原初黑洞的更多信息。

如果物理學(xué)繼續(xù)往前推進(jìn)，我們還將來(lái)到一個(gè)更加陌生的領(lǐng)域，例如黑洞的量子性質(zhì)?！皳Q言之，黑洞內(nèi)部發(fā)生了什么？信息經(jīng)過(guò)事件視界的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么？這些都是非常深刻的問(wèn)題，科學(xué)家正在進(jìn)行這方面的理論研究，”多爾曼說(shuō)。這條道路或許將通往物理學(xué)的圣杯——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的統(tǒng)一，那是愛(ài)因斯坦和霍金都未能解決的問(wèn)題。

這類大科學(xué)項(xiàng)目的溢出效應(yīng)也非常值得期待，歷史上最有名的案例便是萬(wàn)維網(wǎng)的誕生：蒂姆·伯納斯-李（Tim Berners-Lee）最初只想讓歐洲核子研究中心（CERN）的各個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間能夠更高效地交流信息，最終卻改變了世界。如今，隨著各領(lǐng)域數(shù)據(jù)量和計(jì)算機(jī)算力的高速發(fā)展，普通的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)難以滿足一些大科學(xué)項(xiàng)目的需求，伯納斯-李的故事可能還將再次上演。制作首張黑洞照片所需的觀測(cè)數(shù)據(jù)非常多，如果使用網(wǎng)絡(luò)傳輸，要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能傳輸完畢，因此 EHT 團(tuán)隊(duì)選擇通過(guò)快遞的方式，將裝滿數(shù)據(jù)的硬盤(pán)從世界各地寄到處理中心。將來(lái)隨著觀測(cè)波段的擴(kuò)展和望遠(yuǎn)鏡數(shù)量的增加，需要處理的數(shù)據(jù)還會(huì)越來(lái)越多。多爾曼說(shuō)：“未來(lái)我們可能會(huì)使用高速互聯(lián)網(wǎng)，或者衛(wèi)星激光鏈路，把數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到一個(gè)中央處理設(shè)施?！彼麄円苍诳紤]使用現(xiàn)有的商用云存儲(chǔ)服務(wù)，在云端組裝成一臺(tái)巨大的虛擬超級(jí)計(jì)算機(jī)，從而更高效地分析和處理數(shù)據(jù)。

來(lái)源：

1.《環(huán)球科學(xué)》2020 年第 2 期《黑洞照片之后：EHT的下一步》

2. “環(huán)球科學(xué)”公眾號(hào)：剛剛，首張銀河系中心黑洞照片公布！

https://mp.weixin.qq.com/s/l2jCR66v-WJFIpiIl6evPA