給黑洞“拍照”

人馬座 A*（Sgr A*）是一個位于銀河系中央，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，在觀測黑洞時，我們會看到一個陰影，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)一旦跨過邊界，就無法從黑洞強大的引力場中逃脫。

雖然我們無法直接觀測到來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）波長對 Sgr A* 進(jìn)行了觀測，但是效果并不理想。因此從上世紀(jì) 90 年代末開始，EHT 發(fā)起者和首任主管、美國哈佛大學(xué)資深研究員謝潑德·多爾曼（Sheperd Doeleman）和同事希望將觀測目標(biāo)轉(zhuǎn)向波長 1.3 mm 的波，他說這是為了把握“宇宙級的巧合”。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波長和望遠(yuǎn)鏡口徑的比值。一臺望遠(yuǎn)鏡的觀測波長越短，圖像分辨率就越高。多爾曼團(tuán)隊利用設(shè)在美國夏威夷、亞利桑那州和加利福尼亞州的多臺射電望遠(yuǎn)鏡同時對同一目標(biāo)進(jìn)行觀測，然后將數(shù)據(jù)匯總處理，這相當(dāng)于得到了一臺超大型望遠(yuǎn)鏡。這是射電天文學(xué)中常用的觀測手段，稱為甚長基線干涉技術(shù)（VLBI）。

但是，改變觀測波長意味著需要對設(shè)備進(jìn)行重大改進(jìn)。多爾曼說：“對于 1.3 mm 波長，望遠(yuǎn)鏡上原有的探測器的靈敏度不如 3.5 mm 波長那么理想，因此我們需要開發(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。而且，項目中的一些望遠(yuǎn)鏡此前不支持 VLBI 技術(shù)，研究團(tuán)隊需要到觀測點安裝相應(yīng)的設(shè)備。

這一切努力在當(dāng)時完全是一場冒險。多爾曼回憶：“在 20 世紀(jì) 90 年代，利用位于西班牙和法國的望遠(yuǎn)鏡在 1.3 mm 波長得到的測量結(jié)果中，陰影的特征非常不清晰，無法生成圖像，也無法測量它的大小......當(dāng)時我們都不清楚 EHT 項目是否可行。有人懷疑不值得朝這個方向繼續(xù)努力，但也有人覺得我們應(yīng)該再次嘗試，看看能不能得到更精確的觀測結(jié)果。”

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

直到這一刻，科學(xué)界才確信：對黑洞拍照完全可行。

一張“拍了 5 年”的照片

可行性得到驗證之后，EHT 項目迅速走上正軌。2017 年 3-5 月，8 臺分別位于南極洲、智利（2 臺）、墨西哥、美國亞利桑那州、美國夏威夷群島（2 臺）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，對準(zhǔn)了 Sgr A* 和另一個超大質(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 萬光年。2009 年 6 月，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的卡爾·格布哈特（Karl Gebhardt）和德國加爾興馬普地外物理研究所的延斯·托馬斯（Jens Thomas）合作，測定出這個黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于 64 億顆太陽——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的第一個目標(biāo)。

兩年后的 2019 年 4 月 10 日，EHT 在全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓）同步召開全球新聞發(fā)布會，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”。這個銀河系中心黑洞，質(zhì)量大約相當(dāng)于 400 萬個太陽。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。

下一個目標(biāo)：黑洞小視頻

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

談及望遠(yuǎn)鏡的選址，多爾曼說：“我們希望把它們安裝在高海拔地區(qū)，因為（靠近地表的）水蒸氣會吸收一部分來自黑洞的射電信號。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?！庇捎谖鞑?、青海、新疆等省份擁有較好的觀測條件，目前中國也在考慮在這些地區(qū)建立自己的觀測設(shè)備。

多爾曼認(rèn)為，我們正處在一個黑洞大發(fā)現(xiàn)新時代的開端。EHT 已經(jīng)和美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲處女座引力波探測器（Virgo）開展合作，對相對論進(jìn)行更加細(xì)致的檢驗，更全面地揭露宇宙的真相。LIGO 和 Virgo 能夠探測黑洞合并時發(fā)出的引力波信號，這些黑洞的質(zhì)量只有太陽的幾十倍，被認(rèn)為是大型恒星坍縮的產(chǎn)物；相比之下，EHT 觀測的目標(biāo)質(zhì)量能達(dá)到太陽的數(shù)百萬甚至數(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)檢驗物理學(xué)理論。多爾曼說：“廣義相對論的適用范圍似乎跨越了十個億的數(shù)量級，我覺得這點非常有趣?！?/span>

在更遠(yuǎn)的未來，黑洞觀測還將走進(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。并且由于太空中沒有大氣層的阻礙，空間望遠(yuǎn)鏡可以對更短的波長進(jìn)行觀測，從而實現(xiàn)更高的分辨率。包括 EHT 在內(nèi)的許多團(tuán)隊已經(jīng)開始進(jìn)行模擬計算，探討如何實施這一設(shè)想。

而且，通過在太空中建設(shè)觀測裝置從而得到精度上的提高的不只是 EHT 等電磁波探測項目，引力波探測也一樣。全球已經(jīng)有多個項目計劃在地球軌道甚至繞日軌道上建設(shè)由多個衛(wèi)星，來組成超高精度的激光干涉引力波探測器，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（DECIGO），以及中國的天琴計劃和太極計劃。這些計劃多已完成項目規(guī)劃和衛(wèi)星技術(shù)驗證，將在未來 10-15 年開展觀測，為科學(xué)家?guī)黻P(guān)于黑洞，尤其是形成于宇宙誕生時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)，我們還將來到一個更加陌生的領(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)過事件視界的時候會發(fā)生什么？這些都是非常深刻的問題，科學(xué)家正在進(jìn)行這方面的理論研究，”多爾曼說。這條道路或許將通往物理學(xué)的圣杯——廣義相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一，那是愛因斯坦和霍金都未能解決的問題。

這類大科學(xué)項目的溢出效應(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）的各個實驗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)量和計算機算力的高速發(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數(shù)據(jù)非常多，如果使用網(wǎng)絡(luò)傳輸，要花費數(shù)年時間才能傳輸完畢，因此 EHT 團(tuán)隊選擇通過快遞的方式，將裝滿數(shù)據(jù)的硬盤從世界各地寄到處理中心。將來隨著觀測波段的擴(kuò)展和望遠(yuǎn)鏡數(shù)量的增加，需要處理的數(shù)據(jù)還會越來越多。多爾曼說：“未來我們可能會使用高速互聯(lián)網(wǎng)，或者衛(wèi)星激光鏈路，把數(shù)據(jù)即時傳送到一個中央處理設(shè)施?！彼麄円苍诳紤]使用現(xiàn)有的商用云存儲服務(wù)，在云端組裝成一臺巨大的虛擬超級計算機，從而更高效地分析和處理數(shù)據(jù)。

來源：

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：剛剛，首張銀河系中心黑洞照片公布！

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