文/王彧辰 田茗羽 張亦松

銀河系中心黑洞（人馬座 A＊）照片

2022年5月12日，事件視界望 遠(yuǎn) 鏡（Event Horizon Telescope，EHT）合作組發(fā)布了人類拍攝的首張銀河系中心（簡稱“銀心”）黑洞人馬座 A＊的照片。這一由來自世界各地80個(gè)研究機(jī)構(gòu)的300多個(gè)研究者合作完成的成果，首次把這個(gè)距離我們2.7萬光年的超大質(zhì)量黑洞展現(xiàn)在世界面前。

那么，究竟什么是黑洞？這張寶貴的黑洞照片又是怎樣拍到的？這張照片又能告訴我們哪些宇宙的秘密？

什么是黑洞

300多年前，牛頓提出宇宙中任何兩個(gè)物體都會(huì)相互吸引，這就是所謂的“萬有引力”。正是萬有引力把我們束縛在地球上，讓我們無法輕易地逃離地球——如果你試圖跳起來，那多半（如果你不是超人的話）會(huì)被地球的引力吸回地面。只有達(dá)到第二宇宙速度11.2 千米/秒，才有機(jī)會(huì)徹底擺脫地球的吸引。質(zhì)量越大、半徑越小的天體，從其表面逃逸所需的速度越大。

在萬有引力提出近100年后的1783年，約翰·米歇爾想到：如果天體表面的引力強(qiáng)到連光都會(huì)被拽回去而無法逃脫，那么這個(gè)天體發(fā)的光就無法被我們看到，這樣的天體在當(dāng)時(shí)被稱為“暗星”。例如，如果我們的太陽半徑被壓縮到3千米以下，光就再也無法逃逸太陽的表面；而對(duì)于更輕的地球，它成為“暗星”的半徑只有約1厘米。

又過了100多年時(shí)間，愛因斯坦在1905年和1915年先后發(fā)表了狹義和廣義相對(duì)論。根據(jù)相對(duì)論，宇宙中沒有什么能跑得比光還快。如果在天體附近的引力強(qiáng)到連光也無法逃脫，它就成為了一個(gè)只進(jìn)不出的“怪獸”——任何物體一旦進(jìn)入了它的勢(shì)力范圍（光也無法逃脫的邊界，被稱作“事件視界”），就別想再“全身而退”。這種天體——準(zhǔn)確地說是這個(gè)引力強(qiáng)到連光也無法逃脫的時(shí)空區(qū)域——就是現(xiàn)在人們所說的“黑洞”。巧合的是，如果黑洞不帶電且不旋轉(zhuǎn)，廣義相對(duì)論算出的事件視界大小恰好和前面牛頓引力（對(duì)于相同質(zhì)量的天體）算出變成暗星的半徑相同。

怎樣探測(cè)黑洞

藝術(shù)家繪制的類星體。類星體是宇宙中一種非常明亮的天體，一般認(rèn)為它們輻射的能量來自于星系中心快速吞食的超大質(zhì)量黑洞

黑洞是理論中存在的概念，但現(xiàn)實(shí)世界中真的有黑洞嗎？“耳聽為虛，眼見為實(shí)”，為了找到答案，我們必須觀測(cè)到黑洞——至少是黑洞可能存在的跡象。

黑洞事件視界（圖左側(cè)）周圍物質(zhì)發(fā)的光在引力作用下發(fā)生彎折，最終傳播到遠(yuǎn)處（圖右側(cè)）被我們觀測(cè)到。根據(jù)計(jì)算，我們能看到一個(gè)亮度較高的環(huán)形區(qū)域，而在中間亮度較低，形成一個(gè)“陰影”，如圖右側(cè)所示。

黑洞周圍的氣體薄盤發(fā)光被引力彎折，使我們看到這樣的圖像（計(jì)算機(jī)模擬）

用紅外望遠(yuǎn)鏡拍攝的銀河系中心，位于圖中左上角的明亮區(qū)域

雖然連光都不能從黑洞的事件視界逃出來，但這不代表黑洞就不會(huì)產(chǎn)生任何我們能看到的輻射。如果黑洞正在吞食物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)在黑洞周圍高速旋轉(zhuǎn)并相互摩擦生熱，并最終把大量能量通過電磁波輻射出來。而在事件視界附近，黑洞看上去就是在很多發(fā)光的物質(zhì)中間的一個(gè)黑色的“陰影”，就像EHT發(fā)布的圖片一樣。看來，貪吃的黑洞不僅會(huì)暴露自己，還是宇宙中高效的“燈泡”。事實(shí)上，每1千克物質(zhì)在落入黑洞過程中能輻射出十萬億千焦的能量，這個(gè)效率是氫核聚變的十幾倍，是煤的數(shù)億倍！

當(dāng)然，我們也可以通過引力的辦法尋找黑洞。例如，黑洞會(huì)吸引周圍的物質(zhì)圍繞其運(yùn)動(dòng)，從物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)中我們可能反推出黑洞的存在。賴因哈德·根策爾 (Reinhard Genzel)和安德烈婭·蓋茲 (Andrea Ghez)通過追蹤銀河系中心附近的恒星運(yùn)動(dòng)，最終確定銀心存在一個(gè)質(zhì)量為400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量致密天體(一般認(rèn)為這個(gè)“致密天體”就是黑洞，但諾貝爾獎(jiǎng)為嚴(yán)格起見將其稱為致密天體。)“人馬座 A＊”，他們也因此獲得了2020年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。另外，當(dāng)黑洞發(fā)生并合（互相碰撞并合二為一）時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波，據(jù)此也可以確定黑洞的存在。自2015年至今，LIGO/Virgo/KAGRA合作組已經(jīng)探測(cè)到了近百次黑洞或中子星并合產(chǎn)生的引力波事件。

什么，你還想直接看看黑洞？不好意思，拍攝黑洞的照片可不是一件容易的事情，原因很簡單——黑洞看上去實(shí)在太小了！這次EHT拍攝的銀河系中心黑洞距地球約2.67萬光年，相當(dāng)于25億億千米；而3年前的第一張黑洞照片所拍攝的M87星系中心黑洞，距離我們竟有5000萬光年之遠(yuǎn)。銀河系中心黑洞的半徑只有1000多萬千米，這意味著在地球上看到的銀河系中心黑洞的大小，和從地球看距離我們38萬千米的月球上的一個(gè)甜甜圈的大小差不多。沒有“千里眼”，是看不清楚黑洞和周圍的氣體的。

“千里眼”是怎樣煉成的

當(dāng)觀測(cè)波長一定時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，得到的圖像越清晰，也就是分辨率越高。但對(duì)于距離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)的黑洞，即使用世界上最大口徑的望遠(yuǎn)鏡，仍然不足以看清它。那怎么辦呢？

銀河系中心恒星運(yùn)動(dòng)軌跡

甚長基線干涉（VLBI）技術(shù)示意圖

天文學(xué)家可以把多個(gè)望遠(yuǎn)鏡用“干涉”的技術(shù)聯(lián)合起來，把它們變成一臺(tái)高分辨率的大型“虛擬望遠(yuǎn)鏡”。實(shí)際上，天體不同位置發(fā)射的電磁波，就像在池塘中不同位置戲水的鴨子們產(chǎn)生的漣漪——鴨子們各自的波紋先后到達(dá)宇宙各處，疊加出復(fù)雜的波形。而天文學(xué)家們只需用多個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)同一個(gè)目標(biāo)，把每個(gè)望遠(yuǎn)鏡各自收到的波形特征通過計(jì)算機(jī)處理，就可以反推出天上每個(gè)地方的“鴨子”發(fā)射的電磁波強(qiáng)度，進(jìn)而重建出更清晰的圖像。

2017年參與事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡

把望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來組成的“虛擬望遠(yuǎn)鏡”，其分辨率相當(dāng)于一個(gè)口徑有望遠(yuǎn)鏡間距那么大的巨型望遠(yuǎn)鏡。而甚長基線干涉（very long baseline interferometry，VLBI）技術(shù)則是把這一原理用到極致——把距離非常遙遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡結(jié)合起來，組成超大的“虛擬望遠(yuǎn)鏡”！

地球大小的“望遠(yuǎn)鏡”——事件視界望遠(yuǎn)鏡

在地面上的望遠(yuǎn)鏡，最遠(yuǎn)的距離就是整個(gè)地球的半徑。把世界各地的望遠(yuǎn)鏡用甚長基線干涉（VLBI）技術(shù)聯(lián)合起來，就形成了一個(gè)地球這么大的“虛擬望遠(yuǎn)鏡”！經(jīng)過計(jì)算，至少要用地球大小的“望遠(yuǎn)鏡”觀測(cè)1.3 毫米（230 GHz）的電磁波，才能看清楚M87中心和銀河系中心的黑洞。早在1990年前后，人們就開始嘗試在1.3 毫米波段進(jìn)行VLBI觀測(cè)；經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，2008年天文學(xué)家們已經(jīng)能夠探測(cè)到銀河系中心的黑洞的事件視界尺度結(jié)構(gòu)。在這些成果的基礎(chǔ)上，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”也就應(yīng)運(yùn)而生。

事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）是一個(gè)國際合作項(xiàng)目，它包含多個(gè)分布在世界各地的望遠(yuǎn)鏡，目前也陸續(xù)有新望遠(yuǎn)鏡加入。其中參與拍攝本次銀河系中心黑洞照片（人馬座 A＊）的望遠(yuǎn)鏡有：位于南極洲的南極望遠(yuǎn)鏡（SPT），位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣列（ALMA）和阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（APEX），位于西班牙的30米毫米波望遠(yuǎn)鏡（IRAM 30-M Telescope），位于美國夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）和亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（SMA），位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）和位于美國亞利桑那的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（SMT）。

黑洞照片：觀測(cè)五天，奮斗五年

實(shí)際上，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組對(duì)銀河系中心的黑洞（人馬座 A＊）的觀測(cè)是在2017年4月5、6、7、10、11日進(jìn)行的，其中5、6、10、11日還對(duì)室女座星系團(tuán)中心的橢圓星系——M87中心的黑洞進(jìn)行了觀測(cè)。接下來的時(shí)間里，EHT團(tuán)隊(duì)一直在做數(shù)據(jù)的后期處理和分析工作。2019年4月，EHT發(fā)布了M87中心黑洞的照片，而離我們近得多的人馬座 A＊的照片直到現(xiàn)在才處理完成并發(fā)布。難道科學(xué)家們是拖延大師？不不不，得到黑洞的圖片可沒那么簡單。

選擇合理的圖像“腦補(bǔ)”結(jié)果

雖然觀測(cè)只進(jìn)行了短短的幾天，但EHT產(chǎn)生了PB量級(jí)（也就是上千TB）的原始數(shù)據(jù)——這差不多相當(dāng)于數(shù)百萬部電影，要數(shù)百年才能看完！從這么大的數(shù)據(jù)量中得到只有KB大小的照片是很復(fù)雜的工作：各個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)要存在硬盤中空運(yùn)到一起進(jìn)行處理；天文學(xué)家們要把數(shù)據(jù)組合起來，找到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系；盡可能改正和排除地球大氣、望遠(yuǎn)鏡設(shè)備等對(duì)信號(hào)造成的影響和干擾，提取出微弱的信號(hào)；根據(jù)得到的信號(hào)結(jié)果，復(fù)原出黑洞的圖像。

上圖用上千張可能的圖像做平均得到的銀河系中心黑洞圖片；下圖：把可能的圖像按特征分成四組，每組的平均圖像

雖然觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)量已十分驚人，但這并不代表我們能輕松地得到黑洞的圖片。畢竟我們用的不是一個(gè)真正達(dá)到地球大小的巨型望遠(yuǎn)鏡，而是地球上為數(shù)不多幾個(gè)位置的望遠(yuǎn)鏡組成的“虛擬望遠(yuǎn)鏡”——這意味著我們?nèi)匀恢猾@取了關(guān)于黑洞照片的一部分線索。用EHT看黑洞照片，就好比在聽一段缺失了很多音符的音樂。只憑這一部分信息還能還原出完整的照片嗎？實(shí)際上，只要我們聽到了這個(gè)音樂中足夠多的音符時(shí)，我們就可以大致“腦補(bǔ)”出這首曲子的旋律。類似地，天文學(xué)家們正是用各種成圖算法，用計(jì)算機(jī)“腦補(bǔ)”出了黑洞圖像的各種可能形態(tài)，選擇其中看上去合理的圖片，最終重建出黑洞的圖像。

室女座超星系團(tuán)中心的橢圓星系M87，其中心黑洞是上一張黑洞照片的目標(biāo)

除此之外，用EHT拍攝人馬座 A＊照片還有更多其他的挑戰(zhàn)。

首先，在我們和人馬座 A＊之間存在著大量由氣體和塵埃組成的星際介質(zhì)。這些星際介質(zhì)就像一層薄霧，讓圖像變得更模糊、更大，還可能產(chǎn)生一些圖像的子結(jié)構(gòu)。這都使得數(shù)據(jù)處理變得更復(fù)雜。

而且，人馬座 A＊的圖像還在快速地變化，這也使得給它拍照比給M87中心黑洞拍照困難得多。M87中心黑洞的質(zhì)量是人馬座 A＊的近千倍，而黑洞的視界半徑與其質(zhì)量成正比，這意味著人馬座 A＊的半徑比M87中心黑洞小得多。因此，盡管M87中心黑洞和人馬座 A＊周圍的氣體都在以接近光速的極高速度繞黑洞旋轉(zhuǎn)，但在M87中心黑洞附近的氣體需要好幾天才能環(huán)繞一周，而在人馬座 A＊附近的氣體則只需要幾分鐘。因而，在給人馬座 A＊拍照的時(shí)間段內(nèi)，它周圍的氣體亮度與形狀都在不斷地改變著：想拍人馬座 A＊，就像要把一只不停追著自己尾巴轉(zhuǎn)圈的貓貓拍攝清楚。

有這么多挑戰(zhàn)，也難怪EHT合作組織在拍完5年后才完成這兩個(gè)黑洞的照片了。

窺斑知豹：照片能告訴我們什么

現(xiàn)在照片有了，它也進(jìn)一步證實(shí)了銀河系中心確實(shí)存在一個(gè)黑洞——但天文學(xué)家們不會(huì)滿足于“眼見為實(shí)”。大家想挖出照片背后的藏著的秘密：這張黑洞的圖片都能告訴我們什么呢？黑洞的這種“長相”究竟反映了和黑洞相關(guān)的那些物理信息？

為了理解這張黑洞圖片隱藏的物理信息，天文學(xué)家們需要用計(jì)算機(jī)模擬不同條件下產(chǎn)生的不同模擬圖片，再比較確定哪些條件下的模擬圖片和實(shí)際圖片更像。在5年的時(shí)間里，EHT合作組的成員們用超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行了大量的“廣義相對(duì)論磁流體動(dòng)力學(xué)”（GRMHD）模擬，構(gòu)建了前所未有的大型黑洞模擬圖片庫。這個(gè)圖片庫包含在不同參數(shù)下產(chǎn)生的數(shù)百萬張黑洞圖片，和其他相關(guān)數(shù)據(jù)加在一起，一共占用了50 TB的存儲(chǔ)空間！天文學(xué)家們把拍到的黑洞照片和這些模擬圖片進(jìn)行比對(duì)，得到了不少關(guān)于銀河系中心黑洞的信息，比如我們的視線方向與黑洞自轉(zhuǎn)軸的夾角似乎很小——就像是在俯視一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺。

更激動(dòng)人心的是，黑洞的照片給我們提供了另一種檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論的方式。根據(jù)廣義相對(duì)論，在黑洞附近的氣體發(fā)出的光會(huì)在黑洞的引力作用下偏折，最終形成我們所看到的黑洞“陰影”圖片。廣義相對(duì)論預(yù)言，這個(gè)“陰影”大致是圓形的，而有些其他的引力理論預(yù)言了略微不同的形狀。把觀測(cè)到的圖片和理論預(yù)言的形狀相比較，就可以檢驗(yàn)引力理論的正確性。

除此之外，拍攝黑洞的照片還有助于我們理解許多尚未完全解決的問題，例如：黑洞是怎樣有效吞食氣體而長大的？為什么我們星系的黑洞（吞食的物質(zhì)）不像有些黑洞一樣發(fā)出極強(qiáng)的輻射？天文學(xué)家們已經(jīng)開始使用這些新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證在超大質(zhì)量黑洞周圍關(guān)于氣體運(yùn)動(dòng)、電磁波傳播的模型。這些尚未完全理解的過程，很可能是研究星系形成與演化的關(guān)鍵問題。而現(xiàn)在我們已經(jīng)有了兩張黑洞的照片，且它們的質(zhì)量差距較為懸殊（M87中心黑洞質(zhì)量約為人馬座 A＊的1500倍），這也有助于我們對(duì)黑洞附近氣體在極端引力條件下的運(yùn)動(dòng)問題進(jìn)行對(duì)比研究。

模擬黑洞圖片庫

未來已來：前景與展望

銀河系中心黑洞人馬座 A＊為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的天體物理和廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)室。這張照片只是一個(gè)開始：未來，科學(xué)家們還將研究它的磁場(chǎng)和結(jié)構(gòu)變化等信息。同時(shí)，EHT自2017年至今已用更多的望遠(yuǎn)鏡獲取了更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)終將幫我們獲得更好的黑洞圖像，甚至是黑洞附近氣體運(yùn)動(dòng)的視頻。

在不久以前，黑洞的“陰影”圖片還只停留在人們的想象和模擬中；而如今，我們已經(jīng)擁有兩張黑洞的照片，并開始用它們探索宇宙的奧秘。未來還會(huì)有哪些激動(dòng)人心的進(jìn)展？讓我們拭目以待！

M87星系中心黑洞偏振圖，曲線標(biāo)出了電磁波的“偏振”性質(zhì)，這能反映黑洞周圍的磁場(chǎng)特征。未來也將用類似方法研究人馬座 A＊周圍的磁場(chǎng)