剛剛公布的M87星云黑洞。圖源 / 事件視界望遠(yuǎn)鏡

- 圖書(shū)君語(yǔ) -

億萬(wàn)年來(lái)，地球生命眼中所見(jiàn)的星辰

一直只有恒星、行星、衛(wèi)星和彗星

今天，我們終于將視線延伸到宇宙深處

得以目睹黑洞真容

今天，你們應(yīng)該都被開(kāi)頭這張黑洞的照片刷了屏。

黑洞，宇宙里最神秘也最迷人的天體之一。

在人類(lèi)現(xiàn)有的認(rèn)知里，它代表著死亡和永恒這樣的終極問(wèn)題。

黑洞，是恒星最壯烈的一種歸宿。當(dāng)恒星的燃料被核聚變消耗殆盡，它就走到了生命的盡頭。

如果此時(shí)恒星的質(zhì)量足夠大，當(dāng)它通過(guò)壯觀的超新星爆炸結(jié)束生命后，剩下的殘骸就會(huì)在無(wú)可抵擋的引力作用下，塌縮成宇宙中密度最大的天體——黑洞。

電腦模擬的黑洞外觀。圖源/User:Brandon Defrise Carter

巨大質(zhì)量的殘骸都被塞進(jìn)了極小的空間之中，強(qiáng)大的引力甚至扭曲了時(shí)空，讓周?chē)囊磺形镔|(zhì)都沒(méi)法逃脫黑洞的吞噬，連宇宙中跑得最快的光都逃不出這個(gè)囚籠。

這個(gè)連光都逃不出的區(qū)域邊界，就叫做黑洞的視界。

這次新聞的主角，事件視界望遠(yuǎn)鏡的名字，就由此而來(lái)。

藝術(shù)家筆下黑洞的概念圖。周?chē)h(huán)繞黑洞的盤(pán)狀物質(zhì)即為吸積盤(pán)、上方條狀物為噴流。該圖未考慮黑洞自身造成的重力透鏡效應(yīng)對(duì)影像的影響。圖源/https://www./mission_pages/nustar/multimedia/pia16695.html

對(duì)黑洞的觀測(cè)和研究都極為困難，連光都難以從黑洞中逃逸出來(lái)。

這次的黑洞照片，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，不能算是“拍照”。

通常我們給物體拍照時(shí)，實(shí)際上是相機(jī)接受到了物體發(fā)射或者反射來(lái)的光線后成像。

但是這招在黑洞身上不管用。黑洞本身并不發(fā)光，也不反光，而是把視界以?xún)?nèi)的光線都吞掉了，所以黑洞根本不會(huì)傳遞光線給望遠(yuǎn)鏡，它是“黑”的。

M87星系中心超大質(zhì)量黑洞模擬圖。圖源/Andrew Chael

不過(guò)，黑洞本身不會(huì)發(fā)光，但它周?chē)鷷?huì)存在一些極具標(biāo)識(shí)性的結(jié)構(gòu)——大量氣體形成旋轉(zhuǎn)的氣體盤(pán)。還有一部分物質(zhì)磁場(chǎng)作用而被拋射出來(lái)，這就是黑洞的噴流。吸積盤(pán)和噴流都會(huì)釋放出光信號(hào)。

所以今天的這張照片，拍攝的是視界外的物體在向黑洞墜落時(shí)，所最后發(fā)出的光芒。

銀河系中心超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*”模擬圖。最左邊的圖是純粹的模擬，而后三張加上了光線被散射后的效果。圖源/Astrophysical Journal

我們拍不到隱形的人，但我們能拍到隱形人穿的衣服。這些物體被吞噬前發(fā)出最后的閃光，成了黑洞身上披著的明亮輕紗。輕紗中央罩著黑洞的部分顯得較黯淡，而輕紗的邊緣則明亮很多，最終就形成了照片中那樣的美麗剪影。

我們其實(shí)是通過(guò)光明來(lái)看到黑暗，通過(guò)黑洞在照片上的“缺席”來(lái)看到黑洞的“存在”。

實(shí)際上，給黑洞拍照最大的難點(diǎn)并不是它“黑”，而是黑洞實(shí)在是離我們太遠(yuǎn)了。

這次拍攝的黑洞距離地球真的太太太太遙遠(yuǎn)，室女A星系（M87）黑洞，離地球距離5500萬(wàn)光年。

光走1秒的距離，已經(jīng)能繞地球7圈半，整個(gè)太陽(yáng)系的半徑，也就是1光年的幾千分之一。

5500萬(wàn)光年這個(gè)尺度，已經(jīng)無(wú)法用言語(yǔ)來(lái)形容。

活動(dòng)星系M87，其中的條帶狀氣流為噴流。圖源/NASA and The Hubble Heritage Team(STScI/AURA)

室女A星系（M87）黑洞，幾乎是從地球上最容易“看清”的黑洞了。它是位于星系核心的超大質(zhì)量黑洞，比普通黑洞要大很多，質(zhì)量約是太陽(yáng)的65億倍。再加上它的軌道周期長(zhǎng)，星際氣體的干擾小，所以最后的照片成像質(zhì)量要更高一點(diǎn)。

但由于距離實(shí)在過(guò)于遙遠(yuǎn)，要看清它，不亞于在地球上用肉眼看月球上的一顆蘋(píng)果。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)高難度目標(biāo)，科學(xué)家們用了一種叫做甚長(zhǎng)基線干涉的技術(shù)，整合了世界各地的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組。

位于智利阿塔卡馬沙漠的ALMA望遠(yuǎn)鏡陣列。圖源/ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)/W.Garnier(ALMA)

這些大大小小的望遠(yuǎn)鏡，位于太平洋中的島嶼、墨西哥的火山、智利的沙漠、南極圈的冰雪上……

集合了全世界的力量，才創(chuàng)造出來(lái)這個(gè)覆蓋口徑等效于地球直徑的天文望遠(yuǎn)鏡陣列。

目前參與EHT計(jì)劃的望遠(yuǎn)鏡陣列在全球的分布情況。圖源/https:///array

這些望遠(yuǎn)鏡，每年能夠同時(shí)觀測(cè)到目標(biāo)黑洞的時(shí)間，也只有短短5個(gè)星期而已。

為了進(jìn)行時(shí)間上的精確同步，甚至使用了原子鐘，這個(gè)人類(lèi)目前所能最精確的計(jì)算時(shí)間方法 。

在每個(gè)觀測(cè)中心，科學(xué)家們用提前校對(duì)好的原子鐘時(shí)間，對(duì)每一個(gè)電磁波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行分別標(biāo)定和存盤(pán)，等觀測(cè)結(jié)束后，再使用大型計(jì)算機(jī)集群將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行合并與分析，這張黑洞照片，才被“計(jì)算”了出來(lái)。

這個(gè)計(jì)算，從2017年4月開(kāi)始直到現(xiàn)在。換句話說(shuō)，從望遠(yuǎn)鏡“看”到黑洞，再到我們?nèi)祟?lèi)能看到黑洞，至少用了兩年。

從愛(ài)因斯坦1915年提出廣義相對(duì)論，到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了100年。

這次觀測(cè)到的室女A星系（M87）黑洞，位于銀河系隔壁的室女座星系。跟以自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主的螺旋星系，也就是我們所在的銀河不同，室女座星系是橢圓星系，里面的恒星的運(yùn)動(dòng)是以不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)為主。

也就是說(shuō)，跟銀河系，是完全不一樣的風(fēng)景。

在紅外波段格外明亮的銀心與銀盤(pán)。圖源/《中國(guó)國(guó)家地理少兒百科 宇宙》

人類(lèi)現(xiàn)在連火星都到不了，更別說(shuō)走出太陽(yáng)系了。

而M87星系離地球，大概有千幾億個(gè)太陽(yáng)系的距離。

這個(gè)距離，是我們窮極畢生，甚至可能直到人類(lèi)滅絕，都無(wú)法跨越的距離。

所以這張黑洞照片，是全地球人一起，用望遠(yuǎn)鏡跨越了銀河系，跨越了幾千億個(gè)太陽(yáng)系的距離。

到5500萬(wàn)年前的室女座A星系，看了一眼。

科學(xué)家推測(cè)銀河系中心大概長(zhǎng)這樣。室女座星系的模樣，比它更難以想象。圖源：https://apod./apod/ap040921.html

作者：

蔡一鳴，美國(guó)馬里蘭大學(xué)理論物理博士在讀

趙越玖，中科院卡弗里理論科學(xué)研究所博士在讀，理論物理學(xué)愛(ài)好者

參考資料：

https:///array

https:///news/2019/04/heres-what-scientists-think-their-first-picture-of-a-black-hole-might-look-like

https://www./article/2198937-first-ever-picture-of-a-black-hole-may-be-revealed-this-week/

https://science./content/335/6067/391.full

Heart on fire: Our galaxy's black hole is set to blow,SPACE 24 April 2013

https://www./article/mg21829142-200-heart-on-fire-our-galaxys-black-hole-is-set-to-blow/