四大洲、八個觀測點、超過兩百名科學(xué)家，聯(lián)合觀測捕獲影像 人類首次“看到”黑洞正面照

 

首張黑洞照片。 事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織供圖

 

黑洞是廣義相對論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作事件視界。

 

四大洲、8個觀測點組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，讓黑洞首次有了一張“正面照”。

 

近年來，中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創(chuàng)新養(yǎng)分的同時，也不斷貢獻(xiàn)中國智慧。

 

大量天文觀測數(shù)據(jù)已證實，浩瀚的宇宙當(dāng)中，無數(shù)的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人類卻從未直接“看”到過黑洞真容。

 

2017年4月5日到14日之間，來自全球30多個研究所的科學(xué)家們啟動了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃。他們將分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。最終，科學(xué)家們成功拍攝到了黑洞的第一張“照片”。北京時間4月10日21時，這張“大片”在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京六地同時發(fā)布。

 

4年前，兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號被科學(xué)家“捕捉”到，成為科學(xué)界的一個里程碑事件，人類開始“聽”到黑洞。這一次，人類終于眼見為實。

 

有許多間接證據(jù)證明黑洞的存在，但科學(xué)家從未直接“看”到

 

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。

 

黑洞怎么形成的？像宇宙萬物一樣，恒星也會衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時，內(nèi)核會急劇塌縮，所有物質(zhì)快速向著一個點坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點，并形成一個強大的力場漩渦，扭曲周圍時空，成為黑洞。

 

根據(jù)質(zhì)量，天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍到上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上千萬個恒星量級的黑洞。然而，因為黑洞自身不發(fā)射和反射電磁波，儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

 

既然無法“看見”，怎么知道它存在呢？天文學(xué)家們主要是通過各種間接的證據(jù)。一是恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，可以通過觀測這種影響來確認(rèn)黑洞的存在。二是根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)，也就是“吃東西”時發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。第三則是通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。到目前為止，通過間接的觀測，科學(xué)家們在銀河系發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)了20多個恒星級質(zhì)量黑洞，但可能有上千萬個恒星級黑洞候選體。

 

中國科學(xué)院上海天文臺研究員沈志強說：“宇宙每個星系中心都有一個超大質(zhì)量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆，它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400多萬倍。除此之外，銀河系還有很多恒星級黑洞。”

 

黑洞和宇宙的誕生和演化有何關(guān)系？又和我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系？為了更準(zhǔn)確清晰地解答這些問題，科學(xué)家們想直接“看”到黑洞。

 

口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，靈敏度和分辨本領(lǐng)前所未有

 

廣義相對論預(yù)言，雖然黑洞本身不發(fā)光，但因為黑洞的存在，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此氣體被加熱至數(shù)十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。

 

中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森說：“對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接‘視覺’證據(jù)。這就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而保證看得到和看得清。”

 

但滿足上述所有條件，望遠(yuǎn)鏡的口徑需要像地球大小。然而，目前地球上已有的單個望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。怎么解決？

 

一個難以想象的大科學(xué)計劃誕生了：用分布全球的8個觀測點，組成一個口徑如地球直徑大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。條件苛刻的觀測點，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。

 

全球超過200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）這一重大國際合作計劃，決定利用甚長基線干涉測量技術(shù)。沈志強說：“就是利用多個位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時間進(jìn)行聯(lián)合觀測，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，這一技術(shù)在射電波段已相當(dāng)成熟。”

 

被拍照的黑洞質(zhì)量超大，但因距離遙遠(yuǎn)，就像在地球上看放在月球表面的橙子

 

在組建大型虛擬望遠(yuǎn)鏡的同時，科學(xué)家們也在尋找著合適的拍攝目標(biāo)。

 

黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)非常小。在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞照片，必須找到一個看起來角直徑足夠大的黑洞作為目標(biāo)。

 

科學(xué)家們甄選之后，決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標(biāo)：一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*，另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。此次照片“主角”正是M87中心的超大質(zhì)量黑洞。

 

沈志強說：“由于黑洞事件視界的大小與其質(zhì)量成正比，這也意味著質(zhì)量越大，其事件視界越大。我們選定的這兩個黑洞質(zhì)量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優(yōu)的成像候選體。”

 

盡管被選擇的兩個黑洞已是最優(yōu)成像候選體，但要清晰為它拍照，難度還是極其大。Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個太陽，所對應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬公里，相當(dāng)于17個太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2.5萬光年之遙。“這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那么小，就像我們站在地球上去觀看一個放在月球表面的橙子。”沈志強說。

 

M87中心黑洞的質(zhì)量更為巨大，達(dá)到了60億個太陽質(zhì)量。盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的事件視界對科學(xué)家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大一點。

 

要想看清楚兩個黑洞事件視界的細(xì)節(jié)，事件視界望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率要達(dá)到足夠高才行。要多高呢？路如森說：“比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率高出1000倍以上。”但也別以為，只要虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。如同觀看電視節(jié)目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，在合適的波段進(jìn)行觀測至關(guān)重要。

 

此前的一系列研究表明，觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段約為1毫米。路如森說，這是因為氣體在這個波段的輻射最明亮，而且射電波也可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個望遠(yuǎn)鏡口徑的大小。

 

為了增加空間分辨率，以看清更為細(xì)小的區(qū)域，科學(xué)家們在此次進(jìn)行觀測的望遠(yuǎn)鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡。沈志強說：“這樣設(shè)置是為了要保證所有8個望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率。”

 

每年只有約10天觀測期，照片問世前經(jīng)過超級計算機長達(dá)兩年的“沖洗”

 

四大洲8個觀測點組成的虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，讓黑洞首次有了一張“正面照”。

 

留給科學(xué)家們的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間。除了觀測時間上的限制，拍攝對天氣條件要求也極為苛刻。因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大，會影響射電波的強度，這意味著降水會干擾觀測，要想事件視界望遠(yuǎn)鏡順利觀測，需要所有望遠(yuǎn)鏡所在地的天氣情況都非常好。按照要求，計劃選擇的8個望遠(yuǎn)鏡所在之處均海拔較高，降雨量極少，全部晴天的概率非常高。

 

此外，要成像成功還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時間上完全同步。北京時間2017年4月4日，事件視界望遠(yuǎn)鏡啟動拍攝，將視線投向了宇宙。最后的觀測結(jié)束于美國東部時間4月11日。觀測期間，每一個射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自于目標(biāo)黑洞附近的射電波信號，這些數(shù)據(jù)此后被集成用于獲得事件視界的圖像。

 

沈志強說：“為了確保信號的穩(wěn)定性，事件視界望遠(yuǎn)鏡利用原子鐘來確保望遠(yuǎn)鏡收集并記錄信號在時間上同步。”

 

拍照難，“洗照片”更不容易。射電望遠(yuǎn)鏡不能直接“看到”黑洞，但它們將收集大量關(guān)于黑洞的數(shù)據(jù)信息，用數(shù)據(jù)向科學(xué)家們描述出黑洞的樣子。在觀測結(jié)束之后，各個站點收集的數(shù)據(jù)將被匯集到兩個數(shù)據(jù)中心（分別位于美國麻省的Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所）。在那里，超級計算機通過回放硬盤記錄的數(shù)據(jù)，在補償無線電波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時間差后將所有數(shù)據(jù)集成并進(jìn)行校準(zhǔn)分析，從而產(chǎn)生一個關(guān)于黑洞高分辨率影像。此后，經(jīng)過長達(dá)兩年的“沖洗”，今年4月10日，人類歷史上首張黑洞照片終于問世。

 

近年來，中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創(chuàng)新養(yǎng)分的同時，也不斷貢獻(xiàn)中國智慧。