劉安立

在大部分時間里，銀河系中心的巨大黑洞都保持黑暗、平靜，只是偶爾閃耀。但它在今后任何一天都可能爆發(fā)，這是因為一團龐大的氣體和塵埃云持續(xù)向著銀河系黑洞的腹心旋轉(zhuǎn)而去。隨著這團物質(zhì)的突然流入，這個通常情況下一直很平靜的黑洞——人馬座A*（也稱A星，其質(zhì)量為太陽的400萬倍）——將大發(fā)雷霆，非常猛烈地釋放物質(zhì)和輻射。

這團俗稱G2的塵云團，已經(jīng)在2014年年底到達距離銀河系黑洞最近處。不過，黑洞可能要花幾十年時間來消化這個縹緲的獵物。A星并非經(jīng)?！斑M食”，但當它“吃”東西時，它就像其他任何黑洞一樣“眼大肚皮小”，吸入比自己能吞下的數(shù)量多得多的物質(zhì)。被黑洞的巨大引力吸入的巨量氣體和塵埃，造成超大規(guī)模的交通堵塞，阻止后面的大多數(shù)氣體和塵埃進入黑洞內(nèi)部。這些物質(zhì)在黑洞的洞口持續(xù)堆積。隨著壓力猛增，原子和更小的微粒彼此碰撞，升溫至幾十億攝氏度的超高溫。由于進不了黑洞，這些超高能物質(zhì)只能以接近光速的速度跳飛回太空，沿著黑洞的強大磁場形成延伸很遠的明亮射流。不過，這只是科學家想象的黑洞運作原理。實際上，對于有關(guān)這些射流的諸多細節(jié)，科學家迄今并不清楚。

西班牙皮科·維納塔毫米范圍30米直徑射電望遠鏡

A星和G2之間的相遇，究竟會造成什么后果？沒有人能夠預測。美國麻省理工學院海斯塔克天文臺及哈佛-史密森尼天體物理學中心的天文學家謝普·杜勒曼說：“我們并不知道A星和G2相遇的后果，但我們的確知道屆時在銀河系中央會出現(xiàn)驚人的焰火。對觀測者來說，這可能將是一次一生難逢的機會，因為A星是一個相對特別的黑洞，它足夠大也足夠近，從而能讓地面望遠鏡辨析它?！币虼耍S著G2塵云團向著黑洞進行“終極跳水”，全球各地的天文學家都將把目光對準銀河系的內(nèi)核部位。

盡管許多部裝置都能測量黑洞“進食”狂潮的不同方面，卻只有一部望遠鏡有機會獲得這次爆發(fā)性事件的實際圖像，以及實時觀測這一事件。杜勒曼領(lǐng)導的團隊正在組裝這部名叫“視界望遠鏡”的裝置，它將有可能史無前例地第一次向我們展示：當無比龐大的一團物質(zhì)墜入一個無比龐大的黑洞時，究竟會發(fā)生什么。杜勒曼說：“這團云是否會直接墜入黑洞？或者，是否會有一部分云包裹在黑洞近側(cè)，并最終逃離？沒有人能給出準確答案?！痹蚝芎唵巍钡浆F(xiàn)在，我們都不可能觀測這樣的事件。

“視界望遠鏡”之所以得名，是由于它能讓我們在目前的技術(shù)條件下最近距離地觀測黑洞，幾乎能把我們帶到環(huán)繞黑洞的不可見的邊緣上。這個不可見的邊緣是一個球狀殼層，被稱為黑洞的“視界”。黑洞指的是向著自身非常猛烈地坍塌、以至于其中心幾乎無限致密的天體。黑洞的引力是如此之強大，乃至一旦物質(zhì)或光線足夠靠近并跨越視界，它們基本上就一去無回。

阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡，12米直徑

與擁有單一鏡面或天線的傳統(tǒng)望遠鏡不同，“視界望遠鏡”是由分散在全球各地的多部望遠鏡組成的一個射電望遠鏡網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。位于美國亞利桑那、加利福尼亞和夏威夷的望遠鏡已經(jīng)連入這個網(wǎng)絡(luò)，杜勒曼還希望位于全球各地的其他至少6部望遠鏡也能連入“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)。在他看來，通過連接彼此遠遠分隔開的天線，定格它們捕捉到的光線并創(chuàng)制一張復合圖像，其結(jié)果就相當于“一面像地球一樣大的鏡子”。

這種對來自異地望遠鏡的輸入數(shù)據(jù)進行混編、被稱為“干涉度量法”的方法，有可能大大提高角分辨率，這樣就能辨識一個天體的不同特征，哪怕這些特征在空間排列上彼此十分靠近。望遠鏡的口徑（相當于“眼睛”）越大，能分辨的特征就越小?？缭秸麄€地球的“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)，則把這種理念發(fā)揮到了極致：它的依然有提升空間的視野，辨識度已超過“哈勃空間望遠鏡”2000倍。

“視界望遠鏡”所面臨的主要的技術(shù)挑戰(zhàn)，是讓這個網(wǎng)絡(luò)中的所有望遠鏡能夠整齊劃一地流暢運作。向來喜歡接受技術(shù)挑戰(zhàn)的杜勒曼，對這項任務來說非常適合。他是一個樂此不疲的“修理工”，經(jīng)常維修自己在美國波士頓北郊家中的電線網(wǎng)絡(luò)。

今年48歲的杜勒曼看起來依然年輕。1986年從美國瑞德學院畢業(yè)后不久，他到美國南極科考站擔任研究員和儀器維修工程師，由此展開天體物理學生涯。在南極洲的夜空，星星就像是在燃燒，這讓杜勒曼印象頗深。他說：“在困難條件下做趣味十足的科學研究，給了我非常深刻的印象?！弊罱K，他決定在美國麻省理工學院的研究生院攻讀天文學。到了那里，他立即開始在海斯塔克天文臺展開研究，主攻“視界望遠鏡”背后的“魔幻技術(shù)”——使用多座天文臺產(chǎn)生清晰度高得多的觀測圖像。在1995年獲得博士學位后，他繼續(xù)從事這方面的工作。1998年，他又回到海斯塔克天文臺工作。

幾年后，杜勒曼開始思考：他正在試驗的干涉度量技術(shù)，最終是否能揭示銀河系核心正在發(fā)生的事——一路直到巨型黑洞的邊緣？2006年，他和同事們決定在這方面進行嘗試。他們依賴亞利桑那和夏威夷的各一部望遠鏡（它們最終成為“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)的一部分），試圖以比之前都高的角分辨率觀測A星，但未能在黑洞的近旁探測到他們預計會探測到的信號。

經(jīng)過幾個月的調(diào)查后，他們發(fā)現(xiàn)了問題的根源——夏威夷的一部無線電接收器存在一個缺陷。杜勒曼感慨地說：“大量科學研究要求我們趴下了站起來，抖落塵土繼續(xù)干?！?007年，他們正是這么干的。運用亞利桑那和夏威夷的上次一樣的望遠鏡，再加上位于加州的一部望遠鏡，他們繼續(xù)探測位于黑洞近旁的信號。

在重新審視得到的探測數(shù)據(jù)后，杜勒曼開始有了一種“激動的感覺”。他意識到，來自于A星的射電輻射（由環(huán)繞黑洞旋轉(zhuǎn)的白熱物質(zhì)發(fā)出，這些物質(zhì)就像是圍繞浴缸排水口打轉(zhuǎn)的水）源自比預想小得多的一個區(qū)域。從某種程度來說，這真是極度幸運，因為大多數(shù)天文學家一直假定：黑洞太大，所以無法對黑洞進行有效的觀測。杜勒曼形容說，這就好比讓你在很靠近一堵墻的地方直視墻，并且描述墻——這根本無法完成，因為無法看到墻的全貌。

杜勒曼及其同事不僅看見了這堵“墻”，而且進行了天文學上有史以來最高分辨率的觀測。這堪比在月球表面發(fā)現(xiàn)了一只棒球。這是首次對“視界望遠鏡”理念進行成功測試。杜勒曼對此評價說：“我們知道自己終于進入了一片時-空區(qū)域。”那就是剛好位于黑洞視界以外的一個區(qū)域，是天文學家們此前一直無法探測到的一個區(qū)域。

然而，“視界望遠鏡”的真正目標尚未實現(xiàn)。迄今為止，杜勒曼及其團隊只是得以證明黑洞附近的射電輻射源自他們能確定其大小的一個特定區(qū)域，但他們無法描述那里所發(fā)生的過程的細節(jié)。下一階段的工作是獲取黑洞及其周圍環(huán)境的真實快照，而這需要一個更大的“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)才能完成，并且這個網(wǎng)絡(luò)有更寬的全球性覆蓋。杜勒曼說，獲得這樣的圖像“將賦予我們梳理細節(jié)的更強大能力，讓我們以不帶偏見的方式看見黑洞附近究竟在發(fā)生什么”。

除了目擊G2云團墜入A星時的星系光彩秀之外，“視界望遠鏡”還將解決關(guān)于宇宙的一些更基本問題。說得具體點，天文學家們還希望能捕捉到黑洞的輪廓——由環(huán)繞黑洞自身黑暗、神秘內(nèi)部的炙熱發(fā)光氣體構(gòu)成的一道亮環(huán)。

這道被稱作最終光子軌道的發(fā)光環(huán)，代表著光線能環(huán)繞黑洞而不至于墜入黑洞的超級深淵、從而永無回頭日的最靠近黑洞處。這里剛好在視界外。這道環(huán)的形狀為測試廣義相對論提供了一個場所。廣義相對論就是愛因斯坦的引力理論，它預測了一個幾乎是圓形的陰影。加拿大滑鐵盧大學及美國圓周理論物理研究所的天體物理理論學家艾弗里·布羅德里克說：“如果我們觀測到明顯偏離正圓的、奇怪的黑洞剪影，我們就能估計出需要何種對廣義相對論的偏離才能產(chǎn)生它?！彼a充說，為了能夠看見這個剪影，就必須有像“視界望遠鏡”這般強大的儀器。

愛因斯坦在1915年發(fā)表了他的廣義相對論。從那以后，這種理論經(jīng)受住了各種實驗對它的考驗。因此，如果能找到任何對廣義相對論的偏離，都將是巨大的成就。杜勒曼指出，產(chǎn)生一幅圖像，讓已有百年歷史的廣義相對論受到審判，這一點并不需要任何觀念性的突破，而“只需在全球各地布設(shè)更多的望遠鏡”，即安裝更多的“光拍斗形接收器”，讓它們采集更多光子，由此收集更多信息，與此同時提高角分辨率。目前，杜勒曼的團隊正在這方面繼續(xù)努力。

該團隊的近期目標是擴大“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)，把它從目前的3個地點增加到9或10個，其中包括位于南極洲、格陵蘭和墨西哥的望遠鏡，以及美國海斯塔克天文臺新近升級的一部望遠鏡。迄今為止，對“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)的最大貢獻將來自于位于智利的“阿塔卡馬大型毫米陣列”，它是同類中最大的射電望遠鏡。杜勒曼及其“視界望遠鏡”同仁正在潛心研發(fā)一種辦法，以此從“阿塔卡馬大型毫米陣列”的50多座射電拋物面天線提取無線電信號，同時卻不干擾這個天線陣列的主要任務：探索宇宙起源。

前往高出海平面近5000米、價值10億美元的“阿塔卡馬大型毫米陣列”，并且讓它與“視界望遠鏡”網(wǎng)絡(luò)的其余部分嚙合，正是杜勒曼喜歡接受的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。每個組件都必須一而再、再而三地檢查，以確保整個系統(tǒng)能整齊劃一地執(zhí)行最高精度的干涉度量法。杜勒曼說：“對我來說，研發(fā)一部以如此方式運作的新型望遠鏡，真的是一件很興奮的事?！?/p>

當然，這項計劃所涉及的并不僅僅是“技術(shù)魔法”方面的巨大成就。杜勒曼說，最終，該計劃要窺探一些宇宙中最奇異之地——天文學家們此前想都不敢想的地方。這就相當于以目前的技術(shù)盡量去接近一個黑洞，然后再從黑洞邊緣撤回來，并且與全世界分享非凡的見聞。

要想理解“視界望遠鏡”與一般望遠鏡有什么不同，一種方法就是去造訪杜勒曼的主要工作地之一：位于美國波士頓西北大約50千米的海斯塔克天文臺。該天文臺的一部新近整修的37米直徑射電望遠鏡，很可能將加入“視界望遠鏡”的全球網(wǎng)絡(luò)。此外，這座天文臺還是一件更重要設(shè)備——“視界望遠鏡”的“鏡頭”所在地。

雖然常規(guī)望遠鏡通常有一面形狀像拋物面的鏡子或鏡頭，把它收集的光線聚焦成一個點，但位于海斯塔克天文臺的這個“鏡頭”卻是近兩米高的計算機陣列。這個裝置，或稱相關(guān)器，是一種擅長只做一件事的特殊類型的超級計算機?？茖W家們收集全球各地不同站點記錄的光線，對它們進行比較與合并，采用電子器件對其進行復制。這種方式與鏡子利用幾何原理工作沒有本質(zhì)區(qū)別。

每個“視界望遠鏡”站點也都擁有一臺特殊類型的原子鐘，名叫氫微波輻射器。正如一只瑞士手表內(nèi)部的石英晶體通過以一種穩(wěn)定頻率（每秒大約3.2萬次）來計時一樣，微波輻射器讓一些特別選定的氫原子以每秒14.2億次的固定頻率發(fā)射無線電波。微波輻射器的超高頻率給予它超高的準確度。

這種精確的計時，使得在海斯塔克天文臺工作的科學家們能關(guān)聯(lián)在地球表面不同地點進行的觀測，同時把地球的曲率和每一部望遠鏡的位置考慮在內(nèi)，精確到1厘米。杜勒曼介紹說，這部原子鐘每1億年才誤差1秒，他和他的團隊需要的正是如此水準的穩(wěn)定度。

杜勒曼及其“視界望遠鏡”團隊的科學家們，實際上受益于一種非凡的巧合。純屬巧合的是，“視界望遠鏡”的有效孔徑意味著：他們能夠辨析的最小空間區(qū)域，幾乎正好匹配目前認為的銀河系黑洞的視界大小。

在這種情況下，一切都正好正確排列：“視界望遠鏡”幾乎完美適應自己的任務。杜勒曼說，這與日食的發(fā)生沒什么兩樣——月球的大小必須合適，這樣一來，在它與地球的距離合適的前提下，它就能完全遮住太陽。沒有人策劃這一切“巧合”，它們的發(fā)生純屬自然，卻驚人地發(fā)生了。

“視界望遠鏡”團隊撞大運已不是頭一次。地球附近的巨大星系M87中央也有一個巨大的黑洞，其質(zhì)量超過太陽的60億倍，它為天文學家提供了一種類似的“日食效應”。這個黑洞的大小是銀河系黑洞的大約2000倍，而它與地球的距離也正好大約是銀河系黑洞與地球之間距離的2000倍，因此兩者的角距大小是一樣的，這讓M87的黑洞成為“視界望遠鏡”的另一個理想的觀測目標。

這兩個擁有從地球上看去最大視界的黑洞，竟然還互為補充：A星代表著安靜、不活躍的黑洞，M87黑洞卻是高能黑洞的典型——后者產(chǎn)生由氣體和微粒組成的拖長的射流。這些射流激起杜勒曼及其同事們特殊的興趣。于是，他們在2009和2012年兩次使用“視界望遠鏡”窺視M87星系。這些觀測證明，M87星系的射電輻射來自并不比其黑洞視界大的區(qū)域。通過確定最強烈輻射材料的來源，杜勒曼及其同事相信自己已經(jīng)辨認出M87強大射流的底座——它看來剛好在黑洞外面。杜勒曼說：“如此一來，我們就相信自己正在接近黑洞邊緣?！边@些有關(guān)射流發(fā)源地的新見解，應該有助于理論學家破解另一個長久未決的奧秘：這樣的射流是怎么形成的。