沈慧

該黑洞距地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍

4月10日晚，包括中國上海在內(nèi)的全球多個地方同步公開了黑洞“照片”。這是全球200多位科學家歷時兩年多、首次利用一個口徑如地球大小的虛擬射電望遠鏡，在近鄰巨橢圓星系M87的中心成功捕獲的世界首張黑洞圖像。

該黑洞距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍?！笆聦嵱∽C，愛因斯坦是正確的，他的廣義相對論經(jīng)受住了考驗，得到了首次試驗驗證。”在當天舉行的新聞發(fā)布會上，中科院上海天文臺臺長沈志強說。

黑洞不是“洞”

1915年，物理學家愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，提出了一個大膽的假設：宇宙中存在一種引力和密度都無限大的宇宙天體——黑洞。在它周圍一定區(qū)域內(nèi)，有個連光線也無法逃離的勢力范圍，這一勢力范圍叫作“事件視界”。

但有關黑洞的概念，早就有科學家通過數(shù)學公式推導出來了。

比如，1796年法國科學家拉普拉斯就在著作里寫了一段話：假如有一個恒星，密度跟地球一樣，而直徑比太陽大250倍，那么它表面的逃逸速度將超過光的傳播速度。恒星本來應該是發(fā)光的，但是從遠方看這個恒星，它卻是絕對黑暗的，你不可能看到它。

關于黑洞，法國天文學家盧米涅也說過一段話，他說：“黑洞是恒星死亡后的一種殘骸，它是引力收縮的極點，極端到近乎荒唐（指它的一些性質用現(xiàn)有的物理學知識無法解釋）。但它又是宇宙當中最精美的天體。了解黑洞并深感困惑之后，會使我們進入一個展示時間、空間、光和物質深刻本質的更加深邃的新視野?！?/p>

在相當長一段時期內(nèi)，黑洞預言無法證實。這一看不見、摸不著，卻長久以來存在于科學家們想象和推算中的神秘天體，究竟是否存在？“但目前，天文學家普遍相信黑洞確實存在于宇宙之中?！敝锌圃荷虾Ｌ煳呐_研究員路如森介紹。

中科院上海天文臺臺長沈志強表示，質量天文學家將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介于兩者之間）。而且，超大質量黑洞存在于幾乎所有星系的中心。

黑洞有多大？宇宙中可能存在幾乎所有大小的黑洞，從與我們的太陽質量相同的黑洞，到質量達到數(shù)十億個太陽的黑洞。

黑洞能存在多久？即使黑洞也并非是永久存在的。根據(jù)量子物理學，在巨大的力場中，正反粒子對不斷自發(fā)形成。它們瞬間被再次摧毀。

不過，如果這些粒子對產(chǎn)生于黑洞的事件視界，那么粒子對中的一個粒子就可能落在事件視界以外并逃離黑洞。

英國物理學家斯蒂芬·霍金曾對這一現(xiàn)象進行過描述。這種所謂的霍金輻射導致黑洞在漫長時間里十分緩慢地消失。黑洞越大，其消失所需時間就越長。

迄今為止僅在理論上被描述過的微型黑洞會瞬間消失。

如何給黑洞“拍照”

欲睹黑洞“芳容”，全世界科學家翹首以待了上百年，因為給黑洞“拍照”太難。

為揭開黑洞的神秘面紗，2017年，一項黑洞觀測計劃，即“事件視界望遠鏡”（EHT）計劃正式啟動。

路如森解釋，黑洞本身的確是不發(fā)光的，但是這種被極度壓縮的完全黑暗的天體，因為強引力的特性可以讓時空彎曲，并吞噬周圍的氣體。在此過程中，氣體的引力能轉化成熱能，氣體的溫度變得很高，進而發(fā)出強烈的輻射。而在這些明亮的氣體襯托下，黑洞會產(chǎn)生一個黑洞剪影，這一剪影就是我們能看到的最接近黑洞本身的圖像。

路如森說，剪影和發(fā)光的氣體之間會有一個分界，也就是事件視界。事件視界比黑洞陰影的尺寸小，大小約400億千米視界之內(nèi)，我們無法看到，但對事件視界進行拍照，黑洞的樣子也就勾勒出來了。

按照EHT計劃，全世界200多位科學家組成空前龐大的“戰(zhàn)斗陣營”，利用全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡及其陣列，組成一個虛擬的望遠鏡網(wǎng)絡，即“事件視界望遠鏡”，同時對黑洞展開觀測。

何以如此興師動眾？因為黑洞距離我們太過遙遠，無論哪一單個望遠鏡都只能望洋興嘆。“形象點說，望遠鏡若想看到黑洞的事件視界，好比我們?nèi)祟愓驹诘厍蛉タ丛虑蛏系囊粋€橙子。困難程度可想而知。”沈志強說，“M87中心的黑洞質量巨大，又相對接近我們，是地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為EHT的一個完美目標?！?/p>

“事件視界望遠鏡”的分辨率可以達到多少？一般來說口徑越大分辨率越高。

沈志強說，要想看清楚黑洞視界面的細節(jié)，視界面望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高才行。為此，EHT觀測使用了甚長基線干涉測量（VLBI）技術，觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠鏡同步觀測，同時利用地球自轉，形成一個口徑如地球大小的虛擬望遠鏡，分辨率約20微角秒。

虛擬望遠鏡成功組合只是第一步。這些望遠鏡分布在各種具有挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)。沈志強說，在平原上由于信號弱不適合觀測，這些望遠鏡所在的地區(qū)大多是海拔三四千米的山區(qū)，空氣稀薄，若在上面連續(xù)觀測，對工作人員來說是項挑戰(zhàn)。

但是更大的挑戰(zhàn)來自于天氣。因為只有這8個望遠鏡及其陣列同時順利觀測到黑洞，才能達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。而現(xiàn)實是，留給科學家們觀測的窗口期非常短暫，每年大約只有10天。

“以夏威夷地區(qū)為例，去年有兩次觀察期，天氣很好，非常適合觀測。”沈志強說。

多次獨立的EHT觀測通過多個校準以及不同的成像方法均揭示了一個環(huán)狀的結構及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影。

“黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的，可我們以前從未見過?！盓HT科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說，“這個暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類迷人天體的很多本質，也使得我們能夠測量M87中心黑洞的巨大質量?！?/p>

未來還會做什么？

“一旦我們成功對黑洞陰影成像，就可以將觀測結果與理論預言相比較，檢驗考慮了時空彎曲、超高溫及超強磁場等物理性質在內(nèi)的大量模型。令人驚訝的是，我們所觀測到圖像的許多特征與理論預言相一致?！盓HT董事會成員賀曾樸評論道，“這使得我們對觀測的理論解釋，包括對黑洞質量的測量，都充滿信心。”

拍到震撼人心的黑洞照片，是眾多科學家團結協(xié)作的結果。而且，我國科學家在其中扮演了不可或缺的角色。他們長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次EHT合作中，我國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、后期的數(shù)據(jù)處理和結果理論分析等方面作出了中國貢獻。

另外，在EHT全球聯(lián)合觀測的2017年3月至5月，上海65米天馬望遠鏡和新疆南山25米射電望遠鏡參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測，為最終這個M87黑洞成像提供了總流量的限制。

“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點站。”沈志強說，“我們期望也相信在不久的將來，EHT會有更多令人興奮的結果?！?/p>

“我們已經(jīng)做到了上一代人認為不可能做到的事情?！碧祗w物理中心哈佛大學及史密松寧學會EHT項目主任謝潑德·多爾曼總結說，“技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開了一個關于黑洞和事件視界的全新窗口?！?/p>