银河系中心黑洞照片透露哪些宇宙奥秘

2022-07-16王彧辰田茗羽张亦松

太空探索 2022年7期

文/王彧辰田茗羽张亦松

银河系中心黑洞（人马座 A＊）照片

2022年5月12日，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）合作组发布了人类拍摄的首张银河系中心（简称“银心”）黑洞人马座 A＊的照片。这一由来自世界各地80个研究机构的300多个研究者合作完成的成果，首次把这个距离我们2.7万光年的超大质量黑洞展现在世界面前。

那么，究竟什么是黑洞？这张宝贵的黑洞照片又是怎样拍到的？这张照片又能告诉我们哪些宇宙的秘密？

什么是黑洞

300多年前，牛顿提出宇宙中任何两个物体都会相互吸引，这就是所谓的“万有引力”。正是万有引力把我们束缚在地球上，让我们无法轻易地逃离地球——如果你试图跳起来，那多半（如果你不是超人的话）会被地球的引力吸回地面。只有达到第二宇宙速度11.2 千米/秒，才有机会彻底摆脱地球的吸引。质量越大、半径越小的天体，从其表面逃逸所需的速度越大。

在万有引力提出近100年后的1783年，约翰·米歇尔想到：如果天体表面的引力强到连光都会被拽回去而无法逃脱，那么这个天体发的光就无法被我们看到，这样的天体在当时被称为“暗星”。例如，如果我们的太阳半径被压缩到3千米以下，光就再也无法逃逸太阳的表面；而对于更轻的地球，它成为“暗星”的半径只有约1厘米。

又过了100多年时间，爱因斯坦在1905年和1915年先后发表了狭义和广义相对论。根据相对论，宇宙中没有什么能跑得比光还快。如果在天体附近的引力强到连光也无法逃脱，它就成为了一个只进不出的“怪兽”——任何物体一旦进入了它的势力范围（光也无法逃脱的边界，被称作“事件视界”），就别想再“全身而退”。这种天体——准确地说是这个引力强到连光也无法逃脱的时空区域——就是现在人们所说的“黑洞”。巧合的是，如果黑洞不带电且不旋转，广义相对论算出的事件视界大小恰好和前面牛顿引力（对于相同质量的天体）算出变成暗星的半径相同。

怎样探测黑洞

艺术家绘制的类星体。类星体是宇宙中一种非常明亮的天体，一般认为它们辐射的能量来自于星系中心快速吞食的超大质量黑洞

黑洞是理论中存在的概念，但现实世界中真的有黑洞吗？“耳听为虚，眼见为实”，为了找到答案，我们必须观测到黑洞——至少是黑洞可能存在的迹象。

黑洞事件视界（图左侧）周围物质发的光在引力作用下发生弯折，最终传播到远处（图右侧）被我们观测到。根据计算，我们能看到一个亮度较高的环形区域，而在中间亮度较低，形成一个“阴影”，如图右侧所示。

黑洞周围的气体薄盘发光被引力弯折，使我们看到这样的图像（计算机模拟）

用红外望远镜拍摄的银河系中心，位于图中左上角的明亮区域

虽然连光都不能从黑洞的事件视界逃出来，但这不代表黑洞就不会产生任何我们能看到的辐射。如果黑洞正在吞食物质，这些物质会在黑洞周围高速旋转并相互摩擦生热，并最终把大量能量通过电磁波辐射出来。而在事件视界附近，黑洞看上去就是在很多发光的物质中间的一个黑色的“阴影”，就像EHT发布的图片一样。看来，贪吃的黑洞不仅会暴露自己，还是宇宙中高效的“灯泡”。事实上，每1千克物质在落入黑洞过程中能辐射出十万亿千焦的能量，这个效率是氢核聚变的十几倍，是煤的数亿倍！

当然，我们也可以通过引力的办法寻找黑洞。例如，黑洞会吸引周围的物质围绕其运动，从物质的运动中我们可能反推出黑洞的存在。赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)和安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)通过追踪银河系中心附近的恒星运动，最终确定银心存在一个质量为400万倍太阳质量的超大质量致密天体(一般认为这个“致密天体”就是黑洞，但诺贝尔奖为严格起见将其称为致密天体。)“人马座 A＊”，他们也因此获得了2020年的诺贝尔物理学奖。另外，当黑洞发生并合（互相碰撞并合二为一）时，还会产生较强的引力波，据此也可以确定黑洞的存在。自2015年至今，LIGO/Virgo/KAGRA合作组已经探测到了近百次黑洞或中子星并合产生的引力波事件。

什么，你还想直接看看黑洞？不好意思，拍摄黑洞的照片可不是一件容易的事情，原因很简单——黑洞看上去实在太小了！这次EHT拍摄的银河系中心黑洞距地球约2.67万光年，相当于25亿亿千米；而3年前的第一张黑洞照片所拍摄的M87星系中心黑洞，距离我们竟有5000万光年之远。银河系中心黑洞的半径只有1000多万千米，这意味着在地球上看到的银河系中心黑洞的大小，和从地球看距离我们38万千米的月球上的一个甜甜圈的大小差不多。没有“千里眼”，是看不清楚黑洞和周围的气体的。

“千里眼”是怎样炼成的

当观测波长一定时，望远镜的口径越大，得到的图像越清晰，也就是分辨率越高。但对于距离我们如此遥远的黑洞，即使用世界上最大口径的望远镜，仍然不足以看清它。那怎么办呢？

银河系中心恒星运动轨迹

甚长基线干涉（VLBI）技术示意图

天文学家可以把多个望远镜用“干涉”的技术联合起来，把它们变成一台高分辨率的大型“虚拟望远镜”。实际上，天体不同位置发射的电磁波，就像在池塘中不同位置戏水的鸭子们产生的涟漪——鸭子们各自的波纹先后到达宇宙各处，叠加出复杂的波形。而天文学家们只需用多个望远镜同时观测同一个目标，把每个望远镜各自收到的波形特征通过计算机处理，就可以反推出天上每个地方的“鸭子”发射的电磁波强度，进而重建出更清晰的图像。

2017年参与事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）观测的望远镜

把望远镜联合起来组成的“虚拟望远镜”，其分辨率相当于一个口径有望远镜间距那么大的巨型望远镜。而甚长基线干涉（very long baseline interferometry，VLBI）技术则是把这一原理用到极致——把距离非常遥远的望远镜结合起来，组成超大的“虚拟望远镜”！

地球大小的“望远镜”——事件视界望远镜

在地面上的望远镜，最远的距离就是整个地球的半径。把世界各地的望远镜用甚长基线干涉（VLBI）技术联合起来，就形成了一个地球这么大的“虚拟望远镜”！经过计算，至少要用地球大小的“望远镜”观测1.3 毫米（230 GHz）的电磁波，才能看清楚M87中心和银河系中心的黑洞。早在1990年前后，人们就开始尝试在1.3 毫米波段进行VLBI观测；经过数十年的发展，2008年天文学家们已经能够探测到银河系中心的黑洞的事件视界尺度结构。在这些成果的基础上，“事件视界望远镜”也就应运而生。

事件视界望远镜（EHT）是一个国际合作项目，它包含多个分布在世界各地的望远镜，目前也陆续有新望远镜加入。其中参与拍摄本次银河系中心黑洞照片（人马座 A＊）的望远镜有：位于南极洲的南极望远镜（SPT），位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）和阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX），位于西班牙的30米毫米波望远镜（IRAM 30-M Telescope），位于美国夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT）和亚毫米波阵列望远镜（SMA），位于墨西哥的大型毫米波望远镜（LMT）和位于美国亚利桑那的亚毫米波望远镜（SMT）。

黑洞照片：观测五天，奋斗五年

实际上，事件视界望远镜（EHT）合作组对银河系中心的黑洞（人马座 A＊）的观测是在2017年4月5、6、7、10、11日进行的，其中5、6、10、11日还对室女座星系团中心的椭圆星系——M87中心的黑洞进行了观测。接下来的时间里，EHT团队一直在做数据的后期处理和分析工作。2019年4月，EHT发布了M87中心黑洞的照片，而离我们近得多的人马座 A＊的照片直到现在才处理完成并发布。难道科学家们是拖延大师？不不不，得到黑洞的图片可没那么简单。

选择合理的图像“脑补”结果

虽然观测只进行了短短的几天，但EHT产生了PB量级（也就是上千TB）的原始数据——这差不多相当于数百万部电影，要数百年才能看完！从这么大的数据量中得到只有KB大小的照片是很复杂的工作：各个望远镜的数据要存在硬盘中空运到一起进行处理；天文学家们要把数据组合起来，找到数据之间的关系；尽可能改正和排除地球大气、望远镜设备等对信号造成的影响和干扰，提取出微弱的信号；根据得到的信号结果，复原出黑洞的图像。

上图用上千张可能的图像做平均得到的银河系中心黑洞图片；下图：把可能的图像按特征分成四组，每组的平均图像

虽然观测获得的数据量已十分惊人，但这并不代表我们能轻松地得到黑洞的图片。毕竟我们用的不是一个真正达到地球大小的巨型望远镜，而是地球上为数不多几个位置的望远镜组成的“虚拟望远镜”——这意味着我们仍然只获取了关于黑洞照片的一部分线索。用EHT看黑洞照片，就好比在听一段缺失了很多音符的音乐。只凭这一部分信息还能还原出完整的照片吗？实际上，只要我们听到了这个音乐中足够多的音符时，我们就可以大致“脑补”出这首曲子的旋律。类似地，天文学家们正是用各种成图算法，用计算机“脑补”出了黑洞图像的各种可能形态，选择其中看上去合理的图片，最终重建出黑洞的图像。

室女座超星系团中心的椭圆星系M87，其中心黑洞是上一张黑洞照片的目标

除此之外，用EHT拍摄人马座 A＊照片还有更多其他的挑战。

首先，在我们和人马座 A＊之间存在着大量由气体和尘埃组成的星际介质。这些星际介质就像一层薄雾，让图像变得更模糊、更大，还可能产生一些图像的子结构。这都使得数据处理变得更复杂。

而且，人马座 A＊的图像还在快速地变化，这也使得给它拍照比给M87中心黑洞拍照困难得多。M87中心黑洞的质量是人马座 A＊的近千倍，而黑洞的视界半径与其质量成正比，这意味着人马座 A＊的半径比M87中心黑洞小得多。因此，尽管M87中心黑洞和人马座 A＊周围的气体都在以接近光速的极高速度绕黑洞旋转，但在M87中心黑洞附近的气体需要好几天才能环绕一周，而在人马座 A＊附近的气体则只需要几分钟。因而，在给人马座 A＊拍照的时间段内，它周围的气体亮度与形状都在不断地改变着：想拍人马座 A＊，就像要把一只不停追着自己尾巴转圈的猫猫拍摄清楚。

有这么多挑战，也难怪EHT合作组织在拍完5年后才完成这两个黑洞的照片了。

窥斑知豹：照片能告诉我们什么

现在照片有了，它也进一步证实了银河系中心确实存在一个黑洞——但天文学家们不会满足于“眼见为实”。大家想挖出照片背后的藏着的秘密：这张黑洞的图片都能告诉我们什么呢？黑洞的这种“长相”究竟反映了和黑洞相关的那些物理信息？

为了理解这张黑洞图片隐藏的物理信息，天文学家们需要用计算机模拟不同条件下产生的不同模拟图片，再比较确定哪些条件下的模拟图片和实际图片更像。在5年的时间里，EHT合作组的成员们用超级计算机运行了大量的“广义相对论磁流体动力学”（GRMHD）模拟，构建了前所未有的大型黑洞模拟图片库。这个图片库包含在不同参数下产生的数百万张黑洞图片，和其他相关数据加在一起，一共占用了50 TB的存储空间！天文学家们把拍到的黑洞照片和这些模拟图片进行比对，得到了不少关于银河系中心黑洞的信息，比如我们的视线方向与黑洞自转轴的夹角似乎很小——就像是在俯视一个旋转的陀螺。

更激动人心的是，黑洞的照片给我们提供了另一种检验爱因斯坦广义相对论的方式。根据广义相对论，在黑洞附近的气体发出的光会在黑洞的引力作用下偏折，最终形成我们所看到的黑洞“阴影”图片。广义相对论预言，这个“阴影”大致是圆形的，而有些其他的引力理论预言了略微不同的形状。把观测到的图片和理论预言的形状相比较，就可以检验引力理论的正确性。

除此之外，拍摄黑洞的照片还有助于我们理解许多尚未完全解决的问题，例如：黑洞是怎样有效吞食气体而长大的？为什么我们星系的黑洞（吞食的物质）不像有些黑洞一样发出极强的辐射？天文学家们已经开始使用这些新的观测数据，来验证在超大质量黑洞周围关于气体运动、电磁波传播的模型。这些尚未完全理解的过程，很可能是研究星系形成与演化的关键问题。而现在我们已经有了两张黑洞的照片，且它们的质量差距较为悬殊（M87中心黑洞质量约为人马座 A＊的1500倍），这也有助于我们对黑洞附近气体在极端引力条件下的运动问题进行对比研究。