一张黑洞照片人类“画”了40年！

KaiyuanEditor

文章来源：新民晚报 xmwb1929

1915年，爱因斯坦发表广义相对论，最先预言了黑洞的存在

2019年4月10日
我们或将成为第一批“看到”黑洞的人类
或许你会有些惊讶，天文学家不是早就公布了一大堆黑洞的照片吗？

比如像这样的



但很遗憾，这些都不是黑洞真正的样子。

下面这张图或许是大家最熟悉的黑洞形象——相对论物理学家基普·索恩为2014年上映的影片《星际穿越》设计的黑洞形象：“卡冈图雅”，深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环。

电影《星际穿越》中的黑洞形象，周围的亮环是由气体构成的吸积盘

虽然“卡冈图雅”看着很真实了，但还不够真。于是为了一睹黑洞的真实模样，2017年4月，由世界各地8个天文台的亚毫米射电望远镜组成的虚拟望远镜网络“事件视界望远镜”发力，对银河系中心黑洞人马座A*和星系M87中心黑洞展开观测。观测结束之后，大型计算机集群再对各个站点收集的数据进行合并与分析，从而产生黑洞的图像，也就是我们明天即将看到的第一张“黑洞照片”。


说起黑洞，大家都不陌生，但黑洞到底是什么，能清楚解释出来的人大概并不多。

“黑洞”一词在1968年由美国天体物理学家约翰·惠勒提出，但其实早在1783年，英国地理学家、牛顿的“小校友”约翰·米歇尔就已经意识到：一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。


黑洞艺术概念图

这也是今天的我们对黑洞的最基本认识：吸入所有一切，连光都逃不出来。

它具有的超强引力使得光也无法逃脱它的势力范围，这个势力范围被称作黑洞的半径，或事件视界/视界面（event horizon）——顾名思义就是视线所能到达的界面。

天文学家根据质量将宇宙中的黑洞分成了三类：恒星级质量黑洞（几十倍-上百倍太阳质量）、超大质量黑洞（几百万倍太阳质量以上）和中等质量黑洞（介于两者之间）。

根据理论推算，银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个，可到目前为止，我们只确认了20多个黑洞的存在。

说起来，人类根本看不到黑洞，那又是怎么知道黑洞是真实存在于那里的呢？

鉴于黑洞自身不发光，还会“吞噬”光，很难直接探测，科学家们只能采用一些间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。
吸积盘、喷流模拟图
在某些时候，恒星量级的黑洞会存在于一个恒星周围，将恒星的气体撕扯到它自己身边，产生一个围绕黑洞旋转的气体盘，也就是吸积盘。

当吸积气体过多，一部分气体在掉入黑洞视界面之前，在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去，形成喷流。

吸积盘和喷流两种现象都因为气体摩擦，产生了明亮的光与大量辐射，所以很容易被探测到，黑洞的藏身之处也就“暴露”了。


恒星级黑洞系统示意图


1978年，天体物理学家让-皮埃尔·卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。当然，这不是一张真正的照片，而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。


天体物理学家让-皮埃尔•卢米涅笔下的黑洞

利用电脑模拟产生的数据，卢米涅用钢笔和印度墨水在底片上描绘黑洞，整个过程就像是一台人体打印机。这幅模糊的图像展示了观察者靠得足够近时看到的一个扁平盘内物质坠入黑洞的景象。

卢米涅并不是唯一一个对黑洞的长相充满好奇的人。在他之后，很多人都希望对这种神秘的天体进行可视化。

但给黑洞拍照是这么容易的吗？

从17世纪初人类发明望远镜至今，天文望远镜的口径越来越大，从最早的2.5厘米口径，到目前最大的10米口径光学望远镜，还有我国贵州的500米口径球面射电望远镜，下一代更大口径的望远镜也正在计划或建设当中，这些望远镜无一不凝结了人类的智慧，甚至代表了人类社会的最高科技水平。


贵州省500米口径球面射电望远镜

然而，要想观测遥远黑洞，依靠目前任何单个望远镜都远远不够。
因此，在过去10多年时间里，麻省理工学院的科学家们联合了其它研究机构的科研人员，开展了激动人心的“事件视界望远镜”（EHT）项目。


望远镜在全球分布示意图，红点代表望远镜所在地

EHT的“八只眼睛” 位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极，这8个射电望远镜有单镜、也有望远镜阵列，联合起来能够“拼成”一个与地球直径一样大的虚拟望远镜。它们向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，为我们勾勒出黑洞的模样。
事件视界望远镜这次的观测目标主要有两个，一个是银河系中心黑洞人马座A*（Sgr A*），另一个是位于星系M87中的黑洞。

之所以选定这两个黑洞作为观测目标，是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其它的黑洞要么很小，要么很远，要么又远又小，观测的难度更大。

Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳，所对应的视界面尺寸约为2400万公里，相当于17个太阳的大小。

听上去超大的有没有！然而地球和Sgr A*相距2万5千光年（约24亿亿公里），这就意味着，它巨大的视界面在我们看来，大概只有针尖那么小，就像我们站在地球上去看一个放在月球表面的橙子。

M87中的黑洞的质量达到了60亿个太阳质量，尽管与地球的距离要比Sgr A*与地球之间的距离更远，但因为质量庞大，所以它的视界面对我们而言，可能跟Sgr A*大小差不多。

据说，这次拍到的是Sgr A*。

给黑洞拍张照片不容易，“洗照片”更是耗时超长。射电望远镜收集了大量关于黑洞的数据信息，用数据向科学家们描述出黑洞的样子。

这次跨越南北半球的视界面望远镜观测，因为它所涉及的站点区域非常广阔，产生的数据量也十分庞大。视界面望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB(1PB=1000TB=1000000 GB)，和欧洲大型质子对撞机一年产生的数据量差不多。

在观测结束之后，各个站点收集的数据将被汇集到两个数据中心。在那里，大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析，从而产生一个关于黑洞的图像。掰指头算算，这一分析就分析了将近两年。

4年前，LIGO的两个探测仪探测到了由双黑洞合并产生的引力波信号，人类第一次听到了“宇宙的声音”。如今，科学家们又在为探寻黑洞的真容而不断努力。这么大费周章地给黑洞拍张照，真的值得吗？

天文爱好者、科学摄影师陈海滢说，“此前，黑洞的形象仅停留在物理学家以公式表现的形态中，非常抽象。此次实体影像一旦搜集成功，将让黑洞成为具体的形象，这对科学研究有巨大的帮助。它将呈现更多人们过去不了解的信息，指引科学家去做出新的发现。”

明天即将公布的这张黑洞照片，可能会像电影画面一样壮观绚丽，也可能只有几个模糊的像素点，但不管怎么样，这张得来不易的照片和EHT项目都意义非凡，这是人类在黑洞观测史上迈出的重要一步。

它将验证爱因斯坦的广义相对论，帮助科学家了解黑洞是如何吞噬物体和喷射喷流的，以及证明黑洞的边缘，即黑洞的视界的存在，或许还能找到不同于黑洞的未知物体。
无论怎样，我们即将成为有史以来第一批“看见”黑洞的人类，还真是好运气呢！