騰訊科技 文/喬輝 北京時(shí)間4月10日21點(diǎn)整，天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會(huì)，宣布首次直接拍攝到黑洞的照片。這張照片來之不易，為了得到這張照片，天文學(xué)家動(dòng)用了遍布全球的8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個(gè)所謂的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，縮寫EHT）。 從2017年4月5日起，這8座射電望遠(yuǎn)鏡連續(xù)進(jìn)行了數(shù)天的聯(lián)合觀測，隨后又經(jīng)過2年的數(shù)據(jù)分析才讓我們一睹黑洞的真容。
人類首次直接拍攝到的黑洞照片 這顆黑洞位于代號(hào)為M87的星系當(dāng)中，距離地球5300萬光年之遙，質(zhì)量相當(dāng)于60億顆太陽。 大家在平時(shí)閱讀科學(xué)新聞、科普書籍以及觀看科幻電影的時(shí)候，也經(jīng)常能看到黑洞的樣子，但其實(shí)都是根據(jù)科學(xué)理論推測出來的，并非直接觀測。2014年，由諾蘭執(zhí)導(dǎo)的科幻電影《星際穿越》大熱，在這部影片中，光環(huán)籠罩下的超大質(zhì)量黑洞——“卡岡圖亞“（Gargantua）令人心生敬畏，這里的黑洞形象是使用計(jì)算機(jī)模擬出來的。在著名理論物理學(xué)家吉普·索恩的指導(dǎo)下，這里的模擬已經(jīng)非常接近真實(shí)了，但畢竟還是模擬，這次是玩真的了。 圖注：科幻電影《星際穿越》中計(jì)算機(jī)模擬出的黑洞形象。 為什么能給不發(fā)光的黑洞拍照？ 這些年，黑洞這個(gè)名詞頻頻出現(xiàn)在媒體報(bào)道中，想必很多人都已經(jīng)對(duì)它有些了解。恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞是由大質(zhì)量恒星演化到末期核心發(fā)生引力坍縮而成。中等質(zhì)量黑洞和大質(zhì)量黑洞的形成的具體方式目前還沒有定論：可能是由小黑洞合并形成，也可能是由黑洞通過吞噬物質(zhì)逐漸形成，還可能是由大量氣體物質(zhì)直接坍縮形成。 黑洞給人印象最深刻的印象就是吞噬一切，甚至光線。如果是孤零零的黑洞，我們真的是沒辦法采用電磁波手段進(jìn)行拍攝了。 黑洞模擬圖 但通常都有物質(zhì)環(huán)繞在黑洞周圍，組成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)，叫“吸積盤”。吸積盤內(nèi)的物質(zhì)圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)，相互之間由于摩擦而發(fā)出熾熱的光芒，包括從無線電波到可見光、到X射線波段的連續(xù)輻射。吸積盤處于黑洞“視界”的外部，因此發(fā)出的輻射可以逃逸到遠(yuǎn)處被我們探測到。 因此，我們拍攝到的不是黑洞本身，而是利用其邊界上的物質(zhì)發(fā)出的輻射勾勒出來的黑洞的輪廓，就像看皮影戲一樣。 什么是黑洞的“事件視界”？ 簡單來講，黑洞的事件視界（Event horizon）就是指圍繞黑洞的一個(gè)時(shí)空邊界，任何物質(zhì)、甚至光線一旦越過這個(gè)邊界，永遠(yuǎn)無法返回。但對(duì)于進(jìn)入視界的物體來講，其實(shí)感覺不到事件視界有什么奇異之處。除了事件視界，還有絕對(duì)視界和顯視界之分，這里我們就不細(xì)說了。 我們通常說的黑洞的大小，其實(shí)就是指黑洞視界面的大小。如果把太陽壓縮成一個(gè)黑洞，其視界半徑僅3公里！如果把地球壓縮成黑洞，其視界半徑僅9毫米！沒寫錯(cuò)，是9毫米。 什么是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”？ 文章開始我們提到，天文學(xué)家為了觀測黑洞視界邊緣上的物理過程，動(dòng)用了分布在全球的8座毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡組成了一個(gè)虛擬的，口徑接近整個(gè)地球的望遠(yuǎn)鏡，這座虛擬的望遠(yuǎn)鏡，稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”。 圖注：分布在全球的8座毫米波亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡虛擬出一個(gè)地球大小的“事件視界望遠(yuǎn)鏡” 從位于西班牙的口徑30米的毫米波望遠(yuǎn)鏡（IRAM 30-meter telescope），到位于夏威夷的兩座射電望遠(yuǎn)鏡，再到位于南極洲的南極望遠(yuǎn)鏡（South Pole Telescope）等都參與了這場偉大的觀測。這8座毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡分別為： 位于西班牙內(nèi)華達(dá)山脈的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡（IRAM 30m）； 位于美國亞利桑那州的海因里�！ず掌潄喓撩撞ㄍh(yuǎn)鏡（SMT）； 位于墨西哥一座死火山頂部的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）； 位于夏威夷的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）； 位于夏威夷的亞毫米波陣（SMA）； 位于智利沙漠的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA）； 位于智利沙漠的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（APEX； 位于南極阿蒙森·斯科特觀測站的南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）； 圖注：坐落于智利北部阿塔卡馬沙漠中的大型毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA)，是世界上該波段觀測能力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡陣列。 在這8座射電望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中，要數(shù)阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA）最為強(qiáng)大！ALMA位于智利北部的阿塔卡馬沙漠中，海拔達(dá)5000米，那里終年干旱，為觀測創(chuàng)造了良好的條件。目前，ALMA是由66架可移動(dòng)的單體望遠(yuǎn)鏡組成的干涉陣列，望遠(yuǎn)鏡之間通過光纖傳遞信息。ALMA造價(jià)達(dá)14億美元，是目前最為昂貴的地基望遠(yuǎn)鏡之一。如果沒有ALMA的加盟，觀測黑洞的視界簡直是不能完成的任務(wù)。 “事件視界望遠(yuǎn)鏡”的工作原理是什么？ 這個(gè)地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡利用的是一種叫“甚長基線干涉測量”（VLBI）的技術(shù)。它允許用多個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測一個(gè)天體，模擬一個(gè)大小相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間最大間隔距離的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測效果。為了弄明白這種原理，我們要簡單了解一下這種技術(shù)的歷史脈絡(luò)。 1962年，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的馬丁·賴爾（Martin Ryle）利用基線干涉的原理，發(fā)明了綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，大大提高了射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率。其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠(yuǎn)鏡接收同一天體的無線電波，兩束波進(jìn)行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當(dāng)于兩地之間距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。賴爾因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 圖注：美國的甚大天線陣（VLA）。每個(gè)天線重230噸，架設(shè)在鐵軌上，可以移動(dòng)。 基于綜合孔徑技術(shù)的射電望遠(yuǎn)鏡以美國的甚大天線陣（Very Large Array，縮寫為VLA）為代表，它是由27臺(tái)25米口徑的天線組成的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，位于美國新墨西哥州的圣阿古斯丁平原上，海拔2124米，是世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。甚大天線陣每個(gè)天線重230噸，架設(shè)在鐵軌上，可以移動(dòng)，所有天線呈Y形排列，每臂長21千米，組合成的最長基線可達(dá)36千米。甚大天線陣隸屬于美國國家射電天文臺(tái)（NRAO），于1981年建成，工作于6個(gè)波段，最高分辨率可以達(dá)到0.05角秒，與地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)。這座射電望遠(yuǎn)鏡陣列還經(jīng)常在影視劇中出現(xiàn)，例如1997年，著名的科幻電影《接觸》中就有VLA的身影。 圖注：科幻電影《接觸》的海報(bào)，背景是甚大天線陣。 甚長基線干涉測量原理一樣，只是望遠(yuǎn)鏡之間分布的更加遙遠(yuǎn)，無法利用電纜或光纜連接，而是把信號(hào)分別記錄在各測站的儲(chǔ)存器上，不用公共的時(shí)鐘，而是各測站有自己的時(shí)鐘，通常采用精度非常高的原子鐘，現(xiàn)在能夠做到1億年不會(huì)出現(xiàn)1秒的誤差。觀測結(jié)束后，再將觀測站的儲(chǔ)存設(shè)備送到數(shù)據(jù)處理中心。利用這種辦法，只要能同時(shí)看到源，理論上基線的長度就幾乎不受限制。當(dāng)然，在地球上則受限于地球的尺寸。 為了突破地球尺寸的限制，俄羅斯曾經(jīng)在2011年向太空發(fā)射了一架口徑10米的射電望遠(yuǎn)鏡（Spektr-R），與地球上的射電望遠(yuǎn)鏡組成基線達(dá)35萬公里的干涉陣列，用于觀測銀河系內(nèi)以及銀河系之外的射電源。 圖注：VLBA由10個(gè)拋物天線構(gòu)成，橫跨從夏威夷到圣科洛伊克斯8000多千米的距離。 目前，基于甚長基線干涉原理最有名的是美國的超長基線陣列（Very Long Baseline Array，縮寫為VLBA），是由位于美國新墨西哥州索科洛的美國國家射電天文臺(tái)陣列操作中心遙控的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。VLBA由10個(gè)拋物天線構(gòu)成，橫跨從夏威夷到圣科洛伊克斯8000多千米的距離，其精度是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的500倍，是人眼的60萬倍。 甚長基線干涉觀測的分辨率是其它任何望遠(yuǎn)鏡所無法比擬的，在天文學(xué)的研究方面，觀測課題集中在射電噴流、黑洞、射電源演化、銀河系和河外星系微波脈澤源、引力透鏡、超新星遺跡、近處和遠(yuǎn)處的星暴星系、暗弱射電源特性以及在活動(dòng)星系核中的中性氫吸收。最有顯示度的觀測成果是對(duì)超大質(zhì)量黑洞候選體的觀測研究，這是因?yàn)楹诙吹某叨确浅Ｐ Ｄ壳癡LBA觀測最成功的有3例，分別為銀河系中心、橢圓星系M87和塞弗特星系NGC4258中的超大質(zhì)量黑洞候選體。 甚長基線干涉測量技術(shù)不僅在天體物理，而且在天體測量、大體測量等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 為什么不采用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測？ 我們知道，人眼能夠看到的光線稱為可見光，是電磁波譜的一部分，頻率范圍從430太赫茲到750太赫茲，相應(yīng)的波長范圍從400納米到700納米。 射電望遠(yuǎn)鏡就是利用射電波進(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)鏡，射電波也是電磁波譜的一部分，頻率范圍從高頻的300吉赫茲到低頻的30赫茲，相應(yīng)的波長范圍從1毫米到10000公里。在自然界，從閃電到宇宙天體都會(huì)發(fā)出射電波。 圖注：黑洞周圍通常會(huì)被厚厚的氣體和塵埃環(huán)繞 由于星系中心的黑洞被厚厚的星際塵埃和氣體阻擋，光學(xué)波段的望遠(yuǎn)鏡無能為力，只能采用射電波段。毫米波已經(jīng)是射電望遠(yuǎn)鏡所用波長的下限，在電磁波譜上已經(jīng)與紅外線接壤。 望遠(yuǎn)鏡的分辨率主要取決于兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是所使用的波長，一個(gè)是口徑的大小：口徑一定，波長越短分辨率越高；波長一定，口徑越大分辨率越高。 為了能夠觀測到黑洞視界上的物質(zhì)行為，事件視界望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)把射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率提高到了前所未有的高度，到了10到20個(gè)微角秒的程度！這相當(dāng)于看清4000公里外硬幣上的發(fā)行日期。相比之下，人眼的分辨率大約為1角秒，哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率為0.05角秒，也就是說事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率是哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)千倍。當(dāng)然，雖然這臺(tái)虛擬的望遠(yuǎn)鏡分辨率驚人，但由于畢竟是由分散很廣的望遠(yuǎn)鏡拼成，成像清晰度并不令人滿意。 為什么選擇銀河系中心和M87星系中心的黑洞作為研究對(duì)象？ 本次首先公布的是星系M87的照片，銀河系中心的黑洞照片還在數(shù)據(jù)處理中。據(jù)悉，在銀河系內(nèi)，人類已發(fā)現(xiàn)了20多顆恒星質(zhì)量的黑洞，距離我們最近的3400多光年，但為什么不選擇這些相對(duì)較近的黑洞進(jìn)行觀測，而非要舍近求遠(yuǎn)選擇26000光年之外的銀河系中心的黑洞和5300萬光年之外的M87星系中心的黑洞呢？這是因?yàn)檫@些恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量太小，直徑相對(duì)也較小，因此從地球上看去，張角反而不如較遠(yuǎn)距離的超大質(zhì)量黑洞大。 圖注：這是錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡拍攝到的銀河系中心區(qū)域。圖中標(biāo)記有“SgrA星”的地方就是大黑洞所在的位置。 事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測的兩顆黑洞都是超大質(zhì)量黑洞，銀河系中心黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的400萬倍，視界直徑約2400萬公里，相當(dāng)于17顆太陽接在一起；M87星系中心黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的60億倍，視界直徑約360億公里，約相當(dāng)于6個(gè)冥王星到太陽的距離！兩個(gè)如此巨大的宇宙怪物，為什么看起來還是那么小？雖然黑洞巨大，但它們距離地球同樣遙遠(yuǎn)。銀河系中心黑洞距離地球約26000光年，M87中心黑洞距離地球約5300萬光年。在這樣遙遠(yuǎn)距離上，巨大的黑洞也是個(gè)點(diǎn)狀物，因此要求望遠(yuǎn)鏡有變態(tài)的分辨率。 圖注：這是先前由計(jì)算機(jī)模擬生成的M87星系中心黑洞兩種可能的樣子。 計(jì)算表明，看清銀河系中心的黑洞，需要53微角秒的角分辨率，看清M87星系中心的黑洞，則需要22微角秒的角分辨率，都落在了事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測能力范圍內(nèi)。因此，銀河系中心黑洞的視直徑比M87星系中心黑洞的視直徑要大一些。 圖注：從M87星系中心發(fā)出的噴流，噴流的長度可達(dá)5000光年�？茖W(xué)研究表明，噴流是由中心旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量黑洞所驅(qū)動(dòng)。 M87星系中心的黑洞處于非�；钴S的狀態(tài)，非常典型的一個(gè)特征是，從中心噴出近光速運(yùn)動(dòng)的噴流，噴流的長度可達(dá)5000光年�？茖W(xué)研究表明，噴流是由中心旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量黑洞所驅(qū)動(dòng)。 給黑洞拍照的目的是什么？ 通過對(duì)黑洞的直接觀測，科學(xué)家希望能夠在更強(qiáng)引力場環(huán)境下檢驗(yàn)廣義相對(duì)論，直接驗(yàn)證事件視界的存在，研究黑洞邊緣上的吸積和噴流行為，以及基礎(chǔ)的黑洞物理等。 圖注：根據(jù)廣義相對(duì)論模擬出的黑洞陰影（中），看起來比較圓，而其他引力理論給出了或扁（最左）或長（最右）的陰影。圖中不對(duì)稱性是由于黑洞旋轉(zhuǎn)造成的。 我們知道，愛因斯坦的廣義相對(duì)論通過了一次次的檢驗(yàn)，從星光通過太陽的偏折角度到太空中的引力透鏡，從光線掙脫白矮星的引力約束出現(xiàn)的紅移到水星的近日點(diǎn)異常進(jìn)動(dòng)，從雷達(dá)回波延遲到脈沖雙星輻射引力波出現(xiàn)的軌道周期變短等等。但這些檢驗(yàn)都還沒有深入到像黑洞視界邊緣這樣的更極端的引力環(huán)境中檢驗(yàn)。因此，科學(xué)家利用事件視界望遠(yuǎn)鏡通過對(duì)黑洞視界邊緣直接觀測，看看廣義相對(duì)論是否仍然有效。 當(dāng)然，自從2015年人類首次直接探測到黑洞合并發(fā)出的引力波以來，已經(jīng)探測到了10對(duì)黑洞和1對(duì)中子星的碰撞，這些引力波攜帶的信息與廣義相對(duì)論符合得也很好。我們對(duì)廣義相對(duì)論還是非常有信心的。 廣義相對(duì)論預(yù)測，物質(zhì)落入黑洞時(shí)發(fā)出的部分光子會(huì)圍繞在黑洞邊緣，加上引力透鏡效應(yīng)，會(huì)形成一個(gè)明亮的光環(huán)，勾勒出中心黑洞的輪廓，猶如黑洞的剪影。 黑洞輪廓的大小和形狀可以從廣義相對(duì)論引力場方程計(jì)算出來，這取決于黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量。我們通常說黑洞有“三根毛”，指的是質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷，但電荷通常忽略不計(jì)。廣義相對(duì)論預(yù)言，黑洞陰影的形狀基本上呈圓形，但其他版本的引力理論卻預(yù)言了稍微不同的形狀。因此，這次可通過直接觀測來驗(yàn)證廣義相對(duì)論。 |
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