首张黑洞照片诞生的秘密

2019-09-13王善钦南京大学加州大学伯克利分校天体物理学博士

科学24小时 2019年9期

文/王善钦（南京大学-加州大学伯克利分校天体物理学博士）

事件视界望远镜（EHT）拍摄到的M87中心的黑洞及其附近明亮的物质环，这个物质环发出明亮的毫米波。

黑洞不仅是天文学和物理学中最重要的名词之一，也是整个科学领域中最具神秘色彩的概念之一。当一个天体足够致密时，距离其中心某个范围以内的光无法逃脱出去，这个物体就成为黑洞。光恰好无法逃脱的地方，构成一个面，即“事件视界”。事件视界外面的观测者无法看到事件视界以内，事件视界的大小也就因此代表着黑洞的大小。尽管牛顿理论也可以预言黑洞的存在，但只有爱因斯坦的广义相对论可以正确描述黑洞及其周围时空的性质。

长期以来，人们对黑洞的真实面貌仅停留在计算机数值模拟与艺术想象的层面。过去几年来，一个国际联合小组动用世界上8个射电望远镜，共同拍摄了一张巨型黑洞的照片。这张照片于2019年4月10日一经公布便轰动了世界。这张著名的黑洞照片到底藏着哪些秘密呢？

寻找黑洞

如果一个黑洞周围没有任何物质，也没有任何遥远的星光经过它附近，那么，我们就无法察觉到它的存在。但是，如果黑洞附近有恒星、分子云或者尘埃团，它就有可能暴露行踪。比如，黑洞与附近的恒星构成双星系统，恒星在周期性地运动，人们就可以判断出有一个黑洞在影响这个恒星。在更极端的情况下，黑洞周围的物质落入黑洞，物质在下落过程中，内部互相摩擦，产生的大量热量会使物质发出强光，我们可以根据观测到的强光计算出中心正在“大吃大喝”的天体的质量和体积，进而判断出它们是黑洞。

人们通过上述方法分别证明，宇宙中有一些恒星级黑洞与超大质量黑洞，前者往往与另一个恒星共舞，后者则位于一些星系的中心。比如，我们的银河系中心人马座方向就有一个黑洞，被称为“人马座A*”，它的质量是420万个太阳，它周围的物质大都离它足够远，只有少量物质落入其中，让它慢慢“享用”。距离我们5500万光年（1光年约等于10万亿千米）之外的星系M87中心也有一个黑洞，其质量比银河系中心的黑洞大上千倍，达到65亿个太阳质量，它周围有大量物质离它非常近，因此不断下落，供它持续“大吃大喝”。

直接拍摄黑洞

上文所说的方法虽然可以判断出哪里存在黑洞，但都是通过间接的方法判定的。人们希望可以直接拍摄出黑洞的图像。

但如果黑洞周围什么都没有，那就无法进行拍摄，这就如人们无法在黑色的煤矿里拍摄一块黑色的煤炭。但是，如果黑洞周围有大量物质在发出强烈的光，那么我们就可以拍摄到黑洞。这就如同我们拍摄雪地里的一块煤炭，煤炭本身并不发光也不反射光，但我们拍出的周围环境是白色的，那其中黑色的自然就是煤炭。

因而，这次天文学家直接拍摄黑洞采用的方法是：用望远镜直接接收黑洞周围物质发出的电磁波，从而区分出黑洞周围的物质和黑洞自身。

为此，天文学家挑选出两个最适合直接观测的黑洞：5500万光年之外M87中心的黑洞M87*和银河系中心的黑洞人马座A*。为什么选择这两个黑洞？因为这两个黑洞看起来较大。一个物体要看起来较大，就必须自身大，或者距离近，最好自身大且距离近。定量判断“看起来的大小”的方式很简单：用黑洞的直径除以黑洞与我们的距离，得到一个张角，这个张角的大小就可衡量黑洞看起来的大小。M87*和人马座A*的张角都大约为15微角秒，即100万分之15角秒，相当于在地球上看到月球上的一个乒乓球的大小。这两个黑洞周围的物质，则会达到几十微角秒。这两个黑洞及其周围物质的张角是有望被拍到的所有黑洞里最大的，因此它们被选中了。

拍摄过程困难重重

天文学家拍摄黑洞的想法虽然简单，也有了最佳的候选黑洞，但长期以来无法实现。因为拍摄它们实在太困难了，而最大困难就在于分辨率不够。所有仪器都有分辨率，以能够分辨出的角的大小为衡量标准。仪器分辨角太大时，就无法观测到物体的细节。比如，用分辨角是10角秒的望远镜观测1角秒大小的物体，就难以发现细节；但如果用分辨角是1角秒的望远镜观测这个物体，就可以观测到这个物体的细节。

上文说过，M87*和人马座A*的张角大约是几十微角秒，但望远镜观测的分辨角约等于波长与直径的比值，射电望远镜使用的是射电波，波长为1毫米左右到几十米。即使波长短到1毫米，直径大到500米，最小分辨角也有0.4秒，即40万微角秒，是上述两个黑洞张角的上万倍，所以根本无法拍出清晰的黑洞图像。

组合式望远镜显神威

为了让望远镜的分辨角更小，一个解决方法是建造更大直径的射电望远镜，不过这个方法难度太大，代价也太高。即使把射电望远镜的直径扩大到几万米，也不能解决问题。不过，天文学家早已想到了更好的方法：在某个时间段，将全球多地的射电望远镜联合成“一个望远镜”，其直径即可等于地球直径，即1万多千米。

如果这个联合起来的射电望远镜的每个成员都可以观测到黑洞周围的物质发出的毫米波，那么它作为一个整体的分辨角恰好可以达到20微角秒，与上述的两个黑洞的张角差不多，且小于黑洞周围物质的分辨角。这样的望远镜就可以分辨出上述的黑洞及其周围物质的细节了。幸运的是，黑洞周围炽热的物质会发出大量毫米波，这些毫米波不会受到周围物质与行进过程中遇到的物质的强烈吸收，可以很轻松地到达地球。

人们将这种多个距离遥远的射电望远镜联合在一起形成的望远镜称为“甚长基线干涉仪”。虽然几十年前就已经有了这个技术，但人们一直未能研制出足够多且距离足够远，可以接收毫米波的射电望远镜。直到最近一些年，符合条件的射电望远镜才陆续出现，特别是位于智利干燥的阿塔卡马沙漠里的大型毫米/亚毫米射电望远镜阵（ALMA）的建成，极大地促成了这个联合望远镜阵的最终形成。位于智利、墨西哥、西班牙、美国、南极洲等地的8个毫米波射电望远镜构成了一个临时的组合望远镜。其中，位于南极洲的望远镜是为了这个项目特意建造的。

临时构成的这个组合式望远镜被命名为“事件视界望远镜”，缩写为“EHT”。EHT团队共有200多位世界各国的科学家参与。特别需要提及的是，在这个团队中，我国大陆的科学家有16位，其中上海天文台8人，南京大学与北京大学各2人，云南天文台、高能物理所、中国科学技术大学、华中科技大学各1人。此外，还有多位来自中国台湾地区多所大学与研究所的学者也参与了EHT团队。

激动人心的时刻

2017年4月，在一切准备就绪后，EHT的8个望远镜同时对准黑洞M87*中心。观测5天后，EHT团队便得到了大量数据。在此后2年的时间里，团队中的数据处理专家们细致入微地处理着这些珍贵的数据。为避免错误，数据处理由两个独立小组分别进行，禁止彼此交流。只有两个小组得到完全一样的图像时，才可以判定图像是正确的。此外，黑洞周围物质发出的毫米波到达地球上不同望远镜的时间有细微差异，数据处理专家们用超级计算机扣除时间差，将它们同步。

最终，EHT合作者得到了黑洞M87*的图像。这个图像与此前理论研究的结果高度契合。之前曾有理论专家用计算机研究后指出，黑洞周围的阴影部分的形状如同月牙；由于黑洞周围物质在旋转，会导致一部分月牙状物质比另一部分月牙状物质更明亮。拍摄下来的图像证实了这些细节。在首张黑洞照片中，中间完全黑暗的部分就是黑洞。必须说明的是，黑洞周围物质发出的毫米波是没有颜色的，科学家们用不同的颜色表示它们的温度。

此外，银河系中心的黑洞人马座A*的拍摄任务也已经完成，但因为某些原因，对它的数据处理过程被延误了，我们会在不远的将来看到它的真容。