編譯 李威

北京時(shí)間2022年5月12日，天文學(xué)家宣布，他們已經(jīng)揭開了我們銀河系中心的神秘面紗，捕捉到了居住在那兒的“溫和的巨人”的第一張照片。這個(gè)巨人其實(shí)是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它是一扇時(shí)空之門，在門的后面，相當(dāng)于400多萬個(gè)太陽的質(zhì)量被送入了永恒，只留下它們的引力效應(yīng)粗暴地扭曲了附近的時(shí)空。

這張?jiān)谌A盛頓等6處地點(diǎn)同時(shí)召開的新聞發(fā)布會上發(fā)布的照片展示了一個(gè)由射電包裹宇宙空間而形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)亞利桑那大學(xué)天文學(xué)家費(fèi)里亞爾·厄澤爾（Feryal ?zel ）在華盛頓美國國家新聞俱樂部發(fā)布會上宣布發(fā)現(xiàn)了“第一張銀河系中心黑洞的直接照片”時(shí)，現(xiàn)場爆發(fā)了歡呼與驚喜之聲。她還補(bǔ)充說道：“照片里的黑洞看上去就像甜甜圈?！?/p>

厄澤爾博士是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成員，這個(gè)項(xiàng)目由來自13個(gè)機(jī)構(gòu)的300多名科學(xué)家組成。他們管理著一張仍在不斷增長的全球望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，這張網(wǎng)絡(luò)的觀測能力等效于一臺如同地球這樣大的望遠(yuǎn)鏡。事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目拍攝到銀河系中心黑洞的相關(guān)論斷于2022年5月發(fā)表在期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（Astrophysical Journal Letters）上。

“20年前，我第一次知道這個(gè)黑洞，當(dāng)時(shí)就愛上了它，并且之后一直在研究它的相關(guān)性質(zhì)?！倍驖蔂柌┦空f，“但在此之前，我們一直沒能直接拍攝到它的照片?！?/p>

2019年，這支團(tuán)隊(duì)還捕捉到了M87星系中心黑洞的照片。這張照片也是人類拍攝到的第一張黑洞照片，現(xiàn)在供奉在紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館里?！拔覀兘K于看到了這種‘不可見’天體?！惫?史密森天體物理研究中心天文學(xué)家謝潑德·多爾曼（Sheperd Doeleman）當(dāng)時(shí)說。

天文學(xué)家認(rèn)為，黑洞照片以及相關(guān)研究成果，可以讓我們更好地認(rèn)識星系、星系演化，以及類星體的產(chǎn)生方式。類星體釋放的能量全宇宙都能觀測得到，最為關(guān)鍵的是，即便是我們銀河系這樣看似平靜的星系都能孕育這種蘊(yùn)含巨大能量的天體。

1971年，劍橋大學(xué)天文學(xué)家馬丁·里斯（Martin Rees）和同事唐納德·林登-貝爾（Donald Lynden-Bell，2018年逝世）在一篇論文中預(yù)言，超大質(zhì)量黑洞就是類星體的能量來源。最新的黑洞照片及相關(guān)成果無疑再次支持了這個(gè)結(jié)論。里斯博士稱這個(gè)新研究結(jié)果是“一項(xiàng)后端成就”，并且表示他“很喜歡相關(guān)計(jì)算機(jī)模型”。

厄澤爾博士稱，這張新照片與2019年照片的相似性證明了黑洞在之前那張照片中看起來像甜甜圈并非巧合。事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員，哈佛大學(xué)物理學(xué)家、科學(xué)史學(xué)家彼得·加里森（Peter Galison）在一次采訪中特別指出，M87中心的黑洞質(zhì)量相當(dāng)于銀河系中心黑洞的1 500倍。按照天文學(xué)和物理學(xué)中的普遍情況，當(dāng)某個(gè)量出現(xiàn)10倍以上的變化時(shí)，一切相關(guān)性質(zhì)都會發(fā)生相應(yīng)變化。“這兩個(gè)黑洞質(zhì)量差距如此巨大，外觀仍如此類似，的確令人震驚?！奔永锷┦空f。

同樣來自哈佛-史密森天體物理研究中心的天文學(xué)家、事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員邁克爾·約翰遜（Michael Johnson）在新黑洞照片的發(fā)布會上說：“這個(gè)結(jié)果也再次有力支持了愛因斯坦的廣義相對論?！?/p>

愛因斯坦的噩夢

廣義相對論認(rèn)為，引力的本質(zhì)就是物質(zhì)與能量扭曲時(shí)間和空間產(chǎn)生的效應(yīng)——就像你躺到床上后，床墊向下凹陷差不多——而黑洞就是這個(gè)理論意想不到的推演結(jié)果。

愛因斯坦的這個(gè)理論催生了全新的宇宙概念——時(shí)空可以顫抖、扭曲、撕裂、膨脹、旋轉(zhuǎn)，甚至永久消失在黑洞這種引力強(qiáng)到連光都無法逃脫的天體的腹中。

愛因斯坦本人也不愿接受黑洞的存在，但我們現(xiàn)在知道，宇宙里到處都是黑洞。其中有許多都是恒星走到生命末期向自身內(nèi)部坍縮并進(jìn)一步演化后留下的遺跡。

不過，還有更意外的情況?，F(xiàn)在看來，幾乎每個(gè)星系中心（我們的銀河系也不例外）都藏匿著一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于幾百萬乃至幾十億個(gè)太陽的黑洞。到目前為止，天文學(xué)家還不清楚這些超大質(zhì)量黑洞究竟是怎么形成的。

加州大學(xué)洛杉磯分校天文學(xué)家安德莉亞·蓋茲

有意思的是，雖然黑洞連光都能吞噬，但它們卻是宇宙中最為明亮的天體。各種物質(zhì)——?dú)怏w、塵埃、恒星碎片——在墜向黑洞時(shí)都會在稠密的電磁場漩渦中被加熱到幾百萬度的高溫。其中一部分物質(zhì)會徹底落到黑洞內(nèi)部，但還有一部分會在巨大的壓力和磁場作用下被噴射出來。

這樣的煙火表演就是類星體的成因，它們可以比正常星系亮幾千倍。20世紀(jì)60年代，類星體的發(fā)現(xiàn)促使天文學(xué)家和物理學(xué)家認(rèn)真思考黑洞是否真的存在的問題。

如此龐大的虛無之物究竟是怎么產(chǎn)生的？這仍然是個(gè)謎。有沒有可能是大爆炸時(shí)期原初能量積聚的稠密時(shí)空褶皺？有沒有可能是宇宙誕生之初的失控恒星，它們不但自身發(fā)生了坍縮，而且還持續(xù)吸收了附近的能量與物質(zhì)？

從1974年起，我們就知道銀河系中心存在一個(gè)叫作人馬座A*的微弱射電噪聲源。

馬克斯·普朗克地外物理研究所天文學(xué)家萊茵哈德·根策爾

包括加州大學(xué)洛杉磯分校安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）和馬克斯·普朗克地外物理研究所萊茵哈德·根策爾（Reinhard Genzel）在內(nèi)的諸多天文學(xué)家通過跟蹤圍繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)的恒星和氣體云軌道，計(jì)算得到結(jié)論：那里存在一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于414萬個(gè)太陽的天體，且其體積不過只是水星繞日軌道那么大。根策爾博士和蓋茲博士也憑借這項(xiàng)成果與羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

人馬座A*體積那么小，但質(zhì)量又那么大，除了黑洞之外，還能是什么呢？

追逐陰影

然而，證實(shí)人馬座A*就是黑洞完全就是另一碼事了。眼見才為實(shí)。

1967年，物理學(xué)家詹姆斯·巴?。↗ames Bardeen）提出，黑洞也并不是完全不可見，它可以以射電薄霧包裹的幽靈般的黑色圓圈的形式呈現(xiàn)在觀測者面前。

黑洞的引力會扭曲并放大自身的圖像，就人馬座A*的情況來說，會產(chǎn)生一個(gè)直徑大約8 000萬千米的陰影。根據(jù)華盛頓大學(xué)埃里克·阿高爾（Eric Agol）、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所海諾·法爾克（Heino Falcke）和亞利桑那大學(xué)福爾維奧·梅里亞（Fulvio Melia）在2000年的計(jì)算結(jié)果，從地球上觀測這個(gè)陰影，就像觀測月球上的一個(gè)橙子那么大。

自那之后，天文學(xué)家就一直在努力提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度，以分辨這個(gè)橙子大小的陰影。問題在于，星際空間中的離子化電子和質(zhì)子會散射射電波，形成一片足以模糊波源細(xì)節(jié)的光暈?！澳歉杏X就像是透過淋浴房的玻璃看外面。”多爾曼博士最近接受采訪時(shí)說。

為了更深入地觀測黑洞陰影，研究人員就需要把射電望遠(yuǎn)鏡的觀測波段調(diào)到更短的波長上，以穿透這層迷霧。歸根到底，他們需要一架更大的望遠(yuǎn)鏡。

2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)收獲了第一次重大勝利，也即拍到了這張M87中心黑洞的照片

2009年，多爾曼博士及其同事組建了事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。所謂“視界”就是指黑洞附近的一種邊界，一旦越過了這條邊界，就再也不可能掙脫黑洞的引力束縛返回了。時(shí)至今日，全球已經(jīng)有11臺射電望遠(yuǎn)鏡參與了這個(gè)國際合作項(xiàng)目。

2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)收獲了第一次重大勝利，也即拍到了M87中心黑洞的照片。2021年，項(xiàng)目組成員進(jìn)一步提煉數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞周圍還有磁場環(huán)繞，看上去就像一根根細(xì)長步槍槍管，將物質(zhì)和能量泵入虛空中。

2017年，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員為拍攝M87照片開展了一輪觀測。這次觀測也記錄了人馬座A*的數(shù)據(jù)，但用了更多的望遠(yuǎn)鏡陣列——8個(gè)，而非7個(gè)——因?yàn)檫@個(gè)團(tuán)隊(duì)想要在這次觀測中納入一臺看不到M87的南極望遠(yuǎn)鏡。

M87中心的黑洞向全宇宙播送著射電“信號”。相較之下，我們銀河系中心的這個(gè)黑洞確實(shí)只能算是一位“溫和的巨人”?！叭绻覀冦y河系中心的這個(gè)黑洞是一個(gè)人，”約翰遜博士這樣評價(jià)人馬座A*，“那么，與他的同類相比較，他的食量大概就相當(dāng)于每幾百萬年才吃一粒米。”

人馬座A*黑洞同樣在貪婪地吞噬一切，也同樣明亮，但“效率低下”。約翰遜博士補(bǔ)充說：“它的質(zhì)量雖然是太陽的400多萬倍，但釋放的能量卻只有太陽的幾百倍。要不是因?yàn)樗驮谖覀冏约业你y河系里，壓根觀測不到它。”

人馬座A*黑洞之所以比M87中心黑洞更難觀測，還有另外一個(gè)原因：由于人馬座A*黑洞的質(zhì)量和尺寸都不到M87中心黑洞的千分之一，前者的演化速度要快一千多倍，于是，它的外觀差不多每5分鐘就會發(fā)生變化。厄澤爾博士稱“它一直在滋滋作響”。

相較之下，M87中心的黑洞在長達(dá)一個(gè)星期的觀測周期中都幾乎沒有什么變化?！熬拖穹鹱嬉粯?，只是端坐在那兒?！倍酄柭f。

“因此，觀測人馬座A*的時(shí)候，哪怕時(shí)間只是一個(gè)晚上，在我們收集數(shù)據(jù)的時(shí)候，它也在不斷變化。于是，就算你鏡頭蓋一刻都沒合上，最后拍到的也只是一團(tuán)模糊?！?/p>

發(fā)布會上，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員、加州理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)家凱瑟琳·布曼（Katherine Bouman）稱，從高達(dá)3.5拍字節(jié)的海量觀測數(shù)據(jù)中篩選、制作人馬座A*照片，那感覺就像是“聽一首許多琴鍵缺失的鋼琴彈奏的曲子”。

事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的望遠(yuǎn)鏡成員借助一種叫作甚長基線干涉的技術(shù)一一配對、互相結(jié)合，就像人群中的所有個(gè)體都互相握手致意一樣。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的望遠(yuǎn)鏡越多，“握手”的次數(shù)就越多，可以互相比對的數(shù)據(jù)就越多。接著，計(jì)算機(jī)算法就可以介入，補(bǔ)充缺失的數(shù)據(jù)，并且模擬黑洞可能的結(jié)構(gòu)。

哈佛-史密森天體物理研究中心天文學(xué)家謝潑德·多爾曼（右）和同事在操作位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡，照片攝于2015年。大型毫米波望遠(yuǎn)鏡是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成員之一

大部分模擬結(jié)果都是一個(gè)水星繞日軌道大小的環(huán)，與愛因斯坦廣義相對論和根策爾博士以及蓋茲博士的觀測結(jié)果相符。

“我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了100多年前的預(yù)言，著實(shí)令人驚奇，”事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員、新澤西普林斯頓高等研究院天體物理學(xué)家利亞·梅德羅斯（Lia Medeiros）說。

然而，這個(gè)成果也并非盡善盡美。按照計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，人馬座A*這個(gè)黑洞應(yīng)該比觀測結(jié)果更“喧鬧”、更“活躍”一些?！翱隙ㄈ笔Я艘恍〇|西。”研究黑洞和星系形成的耶魯大學(xué)天文學(xué)家普里亞·納塔拉詹（Priya Natarajan）說。

多爾曼的下一個(gè)目標(biāo)是繼續(xù)擴(kuò)大事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，使其囊括更多射電望遠(yuǎn)鏡陣列，形成足夠大的天區(qū)覆蓋范圍，以便獲取一段銀河系中心黑洞的影片。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，最大的挑戰(zhàn)是必須根據(jù)在黑洞周圍運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)描繪出黑洞的隱藏結(jié)構(gòu)。

諾貝爾獎(jiǎng)得主、加州理工學(xué)院研究黑洞的專家基普·索恩（Kip Thorne）說，他正熱切地期盼看到描繪黑洞周圍氣體的詳實(shí)影片：“具有重大意義的新理論經(jīng)常在這樣的研究中出現(xiàn)，有時(shí)還會有些意想不到的驚喜?！?/p>

哥倫比亞大學(xué)巴納德學(xué)院引力理論專家揚(yáng)娜·列文（Janna Levin，她并不是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的成員）也同樣認(rèn)為這樣的研究成果意義重大且信息量豐富。她半開玩笑地說：“我可還沒對黑洞照片感到厭煩。”

資料來源 The New York Times