当你凝视黑洞的时候,黑洞也在凝视你


一张“照片”胜过万语千言。它将成为理解天体物理学、宇宙学和黑洞的重要工具。

人类首张黑洞照片

美国东部时间4月10日上午九点,新闻发布会同时在华盛顿、布鲁塞尔、圣地亚哥、上海、台北和东京举行。天文学家宣布了“事件视界望远镜”(EHT)的首次成果——制作出黑洞的照片,或者精确地说,叫黑洞阴影图像。

之所以叫“制作”照片,不叫“拍摄”照片,是因为有光、有感光器材,才有“拍摄”。而黑洞不允许任何光线逃逸,所以,人们必须找到黑洞在明亮背景上投射的影子,才能让它“成像”。

EHT找到了。安装在世界各地的射电望远镜共同工作,提供了有史以来第一个黑洞图像。在橙黄色的映衬下,黑洞的“事件视界”清晰可辨。

一张“照片”胜过万语千言。它将成为理解天体物理学、宇宙学和黑洞的重要工具。

当地时间2019年4月10日,美国华盛顿,“事件视界望远镜”项目主任、美国哈佛-史密森天体物理学中心资深天文学家谢泼德杜勒曼展示人类史上首张黑洞照片。

宇宙里的大象

根据广义相对论的推论,质量足够大的恒星在聚变反应的燃料耗尽后,发生引力坍缩,形成了黑洞。

在黑洞周围,是一个无法勘测的“事件视界”,也叫“黑洞的视界”。事件视界以外的观察者,没法利用任何物理方法,去获得事件视界以内的任何消息。

事件视界是黑洞的最外层边界,边界里,巨大的引力导致大量可测物质和辐射都无法逃逸,就连光线也不行。

所以,想拥有一张黑洞的照片,就成了一个持续几十年的难题

也许很多人在科学杂志和科幻电影中“看见”了花样繁多的黑洞,比如黑色的球体,各种各样的气体螺旋。它们就像宇宙里的庞然大物,然而真正什么样,还是众说纷纭。

基于物理学的艺术手法来表现黑洞,人们已经看了不少。但是,这些作品很难“接近”真正的黑洞。

一个原因是,地球附近没有黑洞。黑洞距离我们都太遥远了,太空望远镜拍摄的图片都不是高清无码大图,而是糊成一片。而且,广义相对论告诉我们,时空在黑洞附近以诡异的方式扭曲——这句描述在一千个艺术家看来,有一千种不同的理解方法。

另一个原因是,让黑洞现形需要一定的“活跃度”。像安静的黑洞,不声不响,没有吸入气体,也没有吸入什么其他物质,根本就是不可见的。而只有那些抱着“薯片”大嚼、还把渣子洒一地的黑洞,才更有可能露出一点庐山真面目。不过,观测活跃的黑洞也不简单,因为大量的星际尘埃常聚集在它的周围。

电影《星际穿越》中的黑洞形象

不过,一般来说,黑洞的图像都有个“模板”。黑洞本身是个黑色圆圈,周围有尘埃和气体云形成的吸积盘。吸积盘和土星环形成方式类似:黑洞的引力将周围的物质向内拉,周围的物质开始绕轨道运行,最终成了一个薄盘子。

还有一些巨大的光束,垂直于吸积盘,它们由从吸积盘喷出的过热等离子体形成。喷流是宇宙中已知的最劲爆的现象之一,它们以略低于光速的速度前进,能从黑洞中延伸数千光年。只有最大的、最活跃的黑洞才会产生喷流。

像《星际穿越》里描绘的黑洞,由于天文学家基普·索恩的参与,属于比较“真实”的一类。不过,为了电影效果,导演和科学家也放弃了一个重要的黑洞组成部分——吸积盘的多普勒效应。

朝向我们的光和声,都有更高的频率,背对我们的则相反。所以吸积盘的一侧应该更加明亮,另一侧应该更加黯淡。索恩曾发布过经过渲染后更真实的照片,但在电影里就看不到了。

而10号发布的“照片”里,多普勒效应是很明显的。

“视界面望远镜”团队博士生安德鲁·切尔制作的黑洞吸积盘模拟动画。

两头大象中的一头 

事件视界望远镜并不是光学望远镜,而是射电望远镜,采用甚长基线干涉的方法增大口径。

参与EHT观测的射电望远镜有智利的ALMA,APEX——都位于阿塔卡马,西班牙的IRAM, 墨西哥的LMT,亚利桑那的SMT,夏威夷的SMA,还有南极洲的SPT。

假如我们要观测河中的一串涟漪,那么在河两岸各建一个观察点,拿到观察点接收到信息的时间,就能推测这串涟漪的源头。观察点离得越近,结果就越精确。

EHT接收的是信息是星体发射的1.33毫米的射电波,不同地区的望远镜用原子钟实现时间同步,分辨率能达到哈勃望远镜的2000倍。

如果说之前激光干涉引力波天文台是“听到”黑洞的涟漪,那么这一次EHT就是“看到”黑洞的真相

光学照片的原理是,光学波段不同颜色或不同频率的光子,分布在不同的空间位置上。而对于亚毫米波段的望远镜来说,黑洞区域周围不同的光子,因为辐射强度不同,就能被“照出”它们的强度分布图。科学家们假定不同强度对应不同的颜色,就能得出一张“照片”了。

就像此次照片里的橙黄色,就是他们自己选的

多年来,由于黑洞观测的难度太大,天文学家一般宣称的“黑洞”,通常就只有几张模糊的照片和残缺的数据,黑洞的所有特征是没法得到全面验证的。因此,天文数据库里,只有“黑洞候选星”,而没有严格意义上的“黑洞”。

有名的黑洞候选星也不多。位于银河系中心的射手座A*就是一个。

SGR A*位于银河系中央,一直处于沉睡状态,300年前突然苏醒而被观测到。

它是EHT关注的对象。它的质量是太阳的400万倍,直径大约4400万公里。听起来十分巨大,但对于地球上的阵列望远镜来说,它距离2万6千光年,拍它跟拍月球上的一个高尔夫球差不多。

天文学家推测,射手座A*的放射源不在黑洞的中心,而是非常接近事件视界的一个亮点。

另一个关注对象是室女座超椭圆星系Messier 87中的超大质量黑洞,比射手座A*大1500倍。它距离地球5000万光年,质量是太阳的65亿倍。EHT团队必须把地球各地的射电望远镜综合利用,才能拼凑出一个更加完整的图像。 

射手座A*处于休眠状态,它不会主动消耗大量的恒星和气体并释放辐射。Messier 87中的黑洞比较活跃,为了观察它和远处的搅动,望远镜必须要观测整个电磁频谱的范围。

公布的“照片”上,Messier 87中的超大质量黑洞是主角。有人叫它“甜甜圈”,有人叫它“蜂窝煤”。

 爱因斯坦对了吗? 

这个项目的核心就是,200名科学家想回答两个问题。一,简单地拍摄黑洞,是否可行。二,爱因斯坦对黑洞的构建,是不是百分之百正确。

一百年前,爱因斯坦告诉人们黑洞的阴影的大小、形状。今天的天文学家希望在这个阴影上放一把尺子,好测试爱因斯坦的黑洞边界理论。研究团队还希望建立起各种情况下的黑洞模型,再与EHT观测的结果进行一一对比。

2017年4月份,EHT项目中,每个观测站的数据率为32Gbit/s,8个观测站在5天内共记录了3500TB的数据。

根据得到的观测数据,团队使用GPU对黑洞环境的所有假设变量进行建模。他们制作了数百GB的3D数据来模拟可能性。光子、等离子、气体、磁场都在模拟的模型之中。一旦得到一个模型,团队就可以将黑洞阴影图像与GPU处理的不同场景进行比较。

“照片”的制作,是用最先进的电子设备,最先进的统计学知识,和最先进的成像技术,进行了超大规模的组合合作。这是设备、数据、技术缺一不可的综合性计算,使科学家得以更加逼近“事件视界”。

黑洞的“照片”将证明发生在宇宙里的那些巨大的、难以捉摸的结构的存在——吸积盘的大小和形状,等离子体的温度和旋转速度,黑洞本身是否旋转等等。

它们在不断前进的科学进程里,将慢慢超出自身的”阴影“,曝光在人类热切的目光之下。



作者 | 南风窗高级记者 荣智慧 rzh@nfcmag.com

排版 | GINNY

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