記者 | 潘金花
北京時(shí)間4月10日21點(diǎn)，全球多國(guó)科研人員合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目向世界公布了人類有史以來(lái)獲得的第一張宇宙黑洞照片。
據(jù)介紹，此次發(fā)布的黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，其距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。通過(guò)研究這個(gè)圖像，人類將揭示出黑洞這類天體更多本質(zhì)。
1915年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中最先預(yù)言了黑洞的存在。在他的推論中，黑洞是一種質(zhì)量巨大、引力極強(qiáng)的天體，可以吸收周圍一切外來(lái)物質(zhì)和輻射，連人類已知傳播速度最快的光都無(wú)法逃脫。理論上，黑洞無(wú)法被觀察，但黑洞的陰影——“事件視界（event horizon）”卻可以。
這是因?yàn)槲镔|(zhì)與輻射經(jīng)過(guò)黑洞時(shí)，會(huì)坍縮入黑洞內(nèi)部密度趨于無(wú)限的“奇點(diǎn)”（singularity），受引力影響，這些彌散物質(zhì)會(huì)在黑洞周圍形成一個(gè)“吸積盤”，它們的明亮襯托會(huì)給黑洞留下一個(gè)圓形的暗影，而處于明暗之間的時(shí)空區(qū)隔界線便是“事件視界”。
1978年，法國(guó)天文學(xué)家盧米涅模擬出了黑洞“事件視界”的第一幅圖像，在這之后，人類在《星際迷航》、《星際穿越》等無(wú)數(shù)影視作品中對(duì)這一神秘天體進(jìn)行了無(wú)限的想象。2015年，人類首次探測(cè)到了產(chǎn)生自雙黑洞的引力波信號(hào)，在開(kāi)創(chuàng)了天文學(xué)新紀(jì)元的同時(shí)，也讓人迫不及待地想看到黑洞的真容。
根據(jù)質(zhì)量，天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分為三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）和介于兩者之間的中等質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家認(rèn)為，所有星系的中心都存在著超大質(zhì)量黑洞，銀河系也不例外——人馬座A*便位于距離地球2.6萬(wàn)光年的銀河系中央，是已知離地球最近的超大質(zhì)量黑洞，也是我們的最佳觀測(cè)目標(biāo)。
但這個(gè)“最近”的黑洞離地球仍十分遙遠(yuǎn)。從地球上看，人馬座A*大概與月球上的一個(gè)橘子一樣大，由于衍射現(xiàn)象，我們能看到的最小物體是有限制的，想看到的東西越小，需要的望遠(yuǎn)鏡就越大，如果想看到人馬座A*，我們需要的望遠(yuǎn)鏡要和地球一樣大。
這可能嗎？科學(xué)家用“事件視界望遠(yuǎn)鏡”給出了肯定的答案。
當(dāng)然，建造一個(gè)和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡是不可能的，但通過(guò)“甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）”，我們可以將世界各地的望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡通過(guò)原子鐘準(zhǔn)確相連，同時(shí)啟動(dòng)，就可以還原數(shù)萬(wàn)光年以外，一個(gè)未知天體在某一時(shí)刻的真實(shí)容貌。
2006年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”啟動(dòng)并記錄下了第一組天文數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)，有三座望遠(yuǎn)鏡使用VLBI技術(shù)進(jìn)行連線觀測(cè)。隨著科學(xué)目標(biāo)、技術(shù)計(jì)劃和組織架構(gòu)的確立，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目如今已發(fā)展為一個(gè)來(lái)自12個(gè)國(guó)家的30多所大學(xué)、天文觀測(cè)站等研究單位與政府機(jī)構(gòu)參與的國(guó)際合作組織。
2017年4月，來(lái)自全球30多個(gè)研究所的200多位科學(xué)家利用分布于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡（單鏡及陣列），正式開(kāi)始勾勒人馬座A*的模樣。同時(shí)被觀測(cè)的還有距離地球5500萬(wàn)光年、位于室女A星系的M87黑洞。M87估計(jì)擁有64億倍太陽(yáng)質(zhì)量，因此從地球上看只比人馬座A*小一些。
不過(guò)，給黑洞“拍照片”不易，“洗照片”更不易。
經(jīng)粗略計(jì)算，一次普通的五天觀測(cè)期間，每座望遠(yuǎn)鏡會(huì)收集900TB的數(shù)據(jù)，可裝滿1000至2000個(gè)硬盤，所有望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)7PB（約7200TB）。為運(yùn)送如此龐大的數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目啟用了最直接的傳輸方法——飛機(jī)空運(yùn)。所有硬盤都運(yùn)至美國(guó)馬薩諸塞州的麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)，以及德國(guó)波恩的馬克斯·普朗克電波天文研究所，交給超級(jí)計(jì)算機(jī)集成處理。
“洗照片”難就難在如何將這8只“眼睛”看到的景象合為一張圖像。我們可以將地球大小的望遠(yuǎn)鏡想象成一顆巨大的迪斯科球，每一面鏡子收集光線，就可以組合成一幅完整的圖像。但由于目前通過(guò)VLBI技術(shù)接入的望遠(yuǎn)鏡數(shù)量有限，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”只相當(dāng)于一顆由數(shù)面鏡子組成的迪斯科球，必須通過(guò)縝密的算法填滿空缺的部分，才有可能合成一張黑洞的圖像。
好在，隨著地球的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，每一面鏡子都會(huì)改變位置，收集到新的信息。
事實(shí)證明，今晚我們得到的第一張黑洞照片并不像《星際穿越》里的那樣清晰與璀璨，但它無(wú)疑將在廣義相對(duì)論提出100多年后的今天，讓人類向著探索宇宙奧秘又更進(jìn)了一步。
