沈慧

該黑洞距地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍

4月10日晚，包括中國上海在內(nèi)的全球多個(gè)地方同步公開了黑洞“照片”。這是全球200多位科學(xué)家歷時(shí)兩年多、首次利用一個(gè)口徑如地球大小的虛擬射電望遠(yuǎn)鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲的世界首張黑洞圖像。

該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍?！笆聦?shí)印證，愛因斯坦是正確的，他的廣義相對(duì)論經(jīng)受住了考驗(yàn)，得到了首次試驗(yàn)驗(yàn)證。”在當(dāng)天舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)說。

黑洞不是“洞”

1915年，物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：宇宙中存在一種引力和密度都無限大的宇宙天體——黑洞。在它周圍一定區(qū)域內(nèi)，有個(gè)連光線也無法逃離的勢力范圍，這一勢力范圍叫作“事件視界”。

但有關(guān)黑洞的概念，早就有科學(xué)家通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出來了。

比如，1796年法國科學(xué)家拉普拉斯就在著作里寫了一段話：假如有一個(gè)恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應(yīng)該是發(fā)光的，但是從遠(yuǎn)方看這個(gè)恒星，它卻是絕對(duì)黑暗的，你不可能看到它。

關(guān)于黑洞，法國天文學(xué)家盧米涅也說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點(diǎn)，極端到近乎荒唐（指它的一些性質(zhì)用現(xiàn)有的物理學(xué)知識(shí)無法解釋）。但它又是宇宙當(dāng)中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會(huì)使我們進(jìn)入一個(gè)展示時(shí)間、空間、光和物質(zhì)深刻本質(zhì)的更加深邃的新視野?！?/p>

在相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，黑洞預(yù)言無法證實(shí)。這一看不見、摸不著，卻長久以來存在于科學(xué)家們想象和推算中的神秘天體，究竟是否存在？“但目前，天文學(xué)家普遍相信黑洞確實(shí)存在于宇宙之中?！敝锌圃荷虾Ｌ煳呐_(tái)研究員路如森介紹。

中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)表示，質(zhì)量天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。而且，超大質(zhì)量黑洞存在于幾乎所有星系的中心。

黑洞有多大？宇宙中可能存在幾乎所有大小的黑洞，從與我們的太陽質(zhì)量相同的黑洞，到質(zhì)量達(dá)到數(shù)十億個(gè)太陽的黑洞。

黑洞能存在多久？即使黑洞也并非是永久存在的。根據(jù)量子物理學(xué)，在巨大的力場中，正反粒子對(duì)不斷自發(fā)形成。它們瞬間被再次摧毀。

不過，如果這些粒子對(duì)產(chǎn)生于黑洞的事件視界，那么粒子對(duì)中的一個(gè)粒子就可能落在事件視界以外并逃離黑洞。

英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行過描述。這種所謂的霍金輻射導(dǎo)致黑洞在漫長時(shí)間里十分緩慢地消失。黑洞越大，其消失所需時(shí)間就越長。

迄今為止僅在理論上被描述過的微型黑洞會(huì)瞬間消失。

如何給黑洞“拍照”

欲睹黑洞“芳容”，全世界科學(xué)家翹首以待了上百年，因?yàn)榻o黑洞“拍照”太難。

為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項(xiàng)黑洞觀測計(jì)劃，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）計(jì)劃正式啟動(dòng)。

路如森解釋，黑洞本身的確是不發(fā)光的，但是這種被極度壓縮的完全黑暗的天體，因?yàn)閺?qiáng)引力的特性可以讓時(shí)空彎曲，并吞噬周圍的氣體。在此過程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，氣體的溫度變得很高，進(jìn)而發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。而在這些明亮的氣體襯托下，黑洞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑洞剪影，這一剪影就是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像。

路如森說，剪影和發(fā)光的氣體之間會(huì)有一個(gè)分界，也就是事件視界。事件視界比黑洞陰影的尺寸小，大小約400億千米視界之內(nèi)，我們無法看到，但對(duì)事件視界進(jìn)行拍照，黑洞的樣子也就勾勒出來了。

按照EHT計(jì)劃，全世界200多位科學(xué)家組成空前龐大的“戰(zhàn)斗陣營”，利用全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡及其陣列，組成一個(gè)虛擬的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測。

何以如此興師動(dòng)眾？因?yàn)楹诙淳嚯x我們太過遙遠(yuǎn)，無論哪一單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都只能望洋興嘆。“形象點(diǎn)說，望遠(yuǎn)鏡若想看到黑洞的事件視界，好比我們?nèi)祟愓驹诘厍蛉タ丛虑蛏系囊粋€(gè)橙子。困難程度可想而知?！鄙蛑緩?qiáng)說，“M87中心的黑洞質(zhì)量巨大，又相對(duì)接近我們，是地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個(gè)完美目標(biāo)?！?/p>

“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的分辨率可以達(dá)到多少？一般來說口徑越大分辨率越高。

沈志強(qiáng)說，要想看清楚黑洞視界面的細(xì)節(jié)，視界面望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。為此，EHT觀測使用了甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測，同時(shí)利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個(gè)口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，分辨率約20微角秒。

虛擬望遠(yuǎn)鏡成功組合只是第一步。這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)。沈志強(qiáng)說，在平原上由于信號(hào)弱不適合觀測，這些望遠(yuǎn)鏡所在的地區(qū)大多是海拔三四千米的山區(qū)，空氣稀薄，若在上面連續(xù)觀測，對(duì)工作人員來說是項(xiàng)挑戰(zhàn)。

但是更大的挑戰(zhàn)來自于天氣。因?yàn)橹挥羞@8個(gè)望遠(yuǎn)鏡及其陣列同時(shí)順利觀測到黑洞，才能達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。而現(xiàn)實(shí)是，留給科學(xué)家們觀測的窗口期非常短暫，每年大約只有10天。

“以夏威夷地區(qū)為例，去年有兩次觀察期，天氣很好，非常適合觀測?！鄙蛑緩?qiáng)說。

多次獨(dú)立的EHT觀測通過多個(gè)校準(zhǔn)以及不同的成像方法均揭示了一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影。

“黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預(yù)期黑洞會(huì)形成一個(gè)類似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的，可我們以前從未見過。”EHT科學(xué)委員會(huì)主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克說，“這個(gè)暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對(duì)光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質(zhì)，也使得我們能夠測量M87中心黑洞的巨大質(zhì)量?！?/p>

未來還會(huì)做什么？

“一旦我們成功對(duì)黑洞陰影成像，就可以將觀測結(jié)果與理論預(yù)言相比較，檢驗(yàn)考慮了時(shí)空彎曲、超高溫及超強(qiáng)磁場等物理性質(zhì)在內(nèi)的大量模型。令人驚訝的是，我們所觀測到圖像的許多特征與理論預(yù)言相一致?！盓HT董事會(huì)成員賀曾樸評(píng)論道，“這使得我們對(duì)觀測的理論解釋，包括對(duì)黑洞質(zhì)量的測量，都充滿信心?！?/p>

拍到震撼人心的黑洞照片，是眾多科學(xué)家團(tuán)結(jié)協(xié)作的結(jié)果。而且，我國科學(xué)家在其中扮演了不可或缺的角色。他們長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，我國科學(xué)家在早期EHT國際合作的推動(dòng)、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測時(shí)間的申請、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面作出了中國貢獻(xiàn)。

另外，在EHT全球聯(lián)合觀測的2017年3月至5月，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測，為最終這個(gè)M87黑洞成像提供了總流量的限制。

“對(duì)M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點(diǎn)站?！鄙蛑緩?qiáng)說，“我們期望也相信在不久的將來，EHT會(huì)有更多令人興奮的結(jié)果?！?/p>

“我們已經(jīng)做到了上一代人認(rèn)為不可能做到的事情。”天體物理中心哈佛大學(xué)及史密松寧學(xué)會(huì)EHT項(xiàng)目主任謝潑德·多爾曼總結(jié)說，“技術(shù)的突破、世界上最好的射電天文臺(tái)之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開了一個(gè)關(guān)于黑洞和事件視界的全新窗口。”