人類第一次給黑洞拍了照片 黑洞照片要怎么拍？黑洞的圖像什么時候公布

4 月 5 日開始，一個國際合作的天文項目“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope，EHT）開始對兩個特殊的天體進行觀測：距離地球 25000 光年，位于銀河系核心人馬座 A，以及距離地球 5300 萬光年的 M87 室女座星云。觀測的目標不是常規(guī)的天體，而是兩個疑似的超大質(zhì)量黑洞。“事件視界望遠鏡”的觀測將讓人類第一次看到黑洞的真實樣子。

在現(xiàn)有的宇宙學(xué)理論中，黑洞應(yīng)該是最奇怪的天體之一了：引力密度高到光都不能逃脫，一切物理定律在黑洞內(nèi)部都會失效。因為引力密度極高，物質(zhì)在落入黑洞的時候會激發(fā)出大量熱量和 X 射線輻射，所以黑洞雖然在可見光波段完全不可見，但在 X 射線天文觀測里卻像燈塔一樣明亮。同時，引力把黑洞變成了一種非常簡單，簡單到接近數(shù)學(xué)模型的天體，只需要質(zhì)量、電荷、自轉(zhuǎn)三個參數(shù)就可以描述。

那么“事件視界望遠鏡”這個名字里的“事件視界”（Event Horizon）是什么意思？

上：黑洞和積吸盤的藝術(shù)想像圖/Wikipedia

下：哈勃太空望遠鏡拍下的NGC 4261 黑洞周圍的積吸盤/NASA

在“事件視界望遠鏡”之前，天文學(xué)觀測已經(jīng)看到了黑洞的一些邊緣證據(jù)，比如物質(zhì)落入黑洞時，因為摩擦和引力作用形成的高熱積吸盤，就像馬桶放水時旋轉(zhuǎn)的漩渦，這個漩渦可能比黑洞本身要大得多。但物質(zhì)什么時候算是正式落入黑洞了呢？現(xiàn)在的天文學(xué)研究認為，黑洞擁有一個邊界，只要跨過這個邊界，正常宇宙的一切定律，包括時間和空間在內(nèi)都會失效，任何物質(zhì)和信息都不能回頭。這個邊界就是“事件視界”。

但是同時，處在遠方的觀察者，比如人類，是無法看到物質(zhì)跨過“事件視界”的：黑洞內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)和正常宇宙完全不同，與其說物質(zhì)是因為強大的引力不能逃脫，更準確的理解應(yīng)該是，黑洞內(nèi)部的空間完全扭曲，所有的方向都指向黑洞內(nèi)部，空間將和時間一樣變成單向的。按照廣義相對論的描述，理論上只能看到物質(zhì)以越來越慢的速度靠近黑洞，最終無限趨于靜止。

“事件視界望遠鏡”就是科學(xué)家不滿足只看到積吸盤和輻射，想要看到黑洞本身，也就是“事件視界”附近而設(shè)計的。

但要特別注意的是，“事件視界望遠鏡”不是一個單獨的望遠鏡，而是分布在全球的八個觀測站組成的網(wǎng)絡(luò)。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南極等幾乎覆蓋整個地球表面的觀測站，是因為人馬座 A 超大質(zhì)量黑洞太遠了。目前推測的數(shù)據(jù)顯示，這個超大質(zhì)量黑洞大約具有 400 萬個太陽質(zhì)量，可以計算出它的史瓦西半徑，也就是黑洞的“直徑”大約是 2400 萬公里，也就是 17 個太陽的大小。

“事件視界望遠鏡”的全球觀測網(wǎng)絡(luò)/Nature

但在 25000 光年，也就是 24 億億公里的距離下，17 個太陽直徑也只是分辨不出任何細節(jié)的一個點而已。按照美國馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學(xué)的天文學(xué)教授 Gopal Narayanan 的比喻，這大概相當于在地球上看月球上的一個葡萄柚。所以，利用地球上八個觀測站組成網(wǎng)絡(luò)，就可以利用干涉技術(shù)一起觀測，最終產(chǎn)生可見的數(shù)據(jù)。

另外，這八個觀測站接收的不是人眼可見的可見光，它們都是毫米波段的射電望遠鏡，也就是可以接收 1.3mm 波長電磁波的大天線。

“事件視界望遠鏡”的主要觀測站，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）/Wikipedia

從 4 月 5 日起，“事件視界望遠鏡”將在天氣允許的情況下對兩個目標進行大約 10 天的觀測。但在觀測結(jié)束之后，黑洞的照片可能需要幾個月的處理之后才能看到：望遠鏡們每天晚上接收到的數(shù)據(jù)可能會超過 2000 TB，科學(xué)家們會在觀測技術(shù)之后把存著數(shù)據(jù)的硬盤打包運到位于德國和美國的兩個數(shù)據(jù)中心，利用超級計算機計算數(shù)個月，才能得到一張黑洞的“照片”。

黑洞看起來會是什么樣？因為非常特殊和神秘，黑洞不僅在天文學(xué)中是最引人注目的課題之一，在流行文化里也是熱門話題。2014 年上映的美國科幻電影《星際穿越》（Interstellar）可能創(chuàng)造了目前細節(jié)最豐富，最接近科學(xué)真相的黑洞圖像。

《星際穿越》中的黑洞模型

在加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家基普·索恩（Kip Stephen Thorne）的帶領(lǐng)下，《星際穿越》影片給一顆名為卡岡圖雅（Gargantua）的虛構(gòu)黑洞構(gòu)建了非常震撼的黑洞圖像：黑洞本身是一個旋轉(zhuǎn)著的黑色球體，明亮的積吸盤圍繞著它的赤道位置。但因為黑洞強大的引力彎曲了空間，積吸盤的被扭曲成了環(huán)形，出現(xiàn)在黑洞的上下左右所有方向，讓黑洞看起來就像是一個發(fā)光的陀螺。

“事件視界望遠鏡”最終看到的畫面可能是什么樣子的？滑鐵盧大學(xué)的模擬顯示，因為黑洞正在旋轉(zhuǎn)，多普勒效應(yīng)可能會讓這張照片看起來像一個一邊亮一邊暗的漩渦。

“事件視界望遠鏡”最終可能看到的圖像/Nature

一切順利的話，大約在 2018 上半年“事件視界望遠鏡”計劃會公布最終的圖像。對于天文學(xué)和物理學(xué)來說，“事件視界望遠鏡”可以最終確認黑洞存在的證據(jù)，補完愛因斯坦的廣義相對論，發(fā)現(xiàn)恒星和星系演化的秘密。