作者：左文文（中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)）
來源：科學(xué)大院（ID：kexuedayuan）
2016年2月，科學(xué)家首次探測(cè)到引力波，來自雙黑洞合并（模擬圖）
提到黑洞和引力波，相信很多人已經(jīng)不陌生了，在去年年底《自然》雜志發(fā)布的2017年全球熱點(diǎn)科學(xué)領(lǐng)域的預(yù)測(cè)中，“進(jìn)一步探測(cè)黑洞和引力波”便是熱點(diǎn)之一。
這并不奇怪，畢竟黑洞到底是什么，一直備受關(guān)注。
盡管科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)黑洞有所了解，知道黑洞并不黑，研究它們?cè)诓煌姶挪ù翱?、引力波窗口下的樣子，甚至?duì)黑洞進(jìn)行了巡天觀測(cè)，對(duì)黑洞樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，且試圖理解黑洞是如何誕生、如何成長(zhǎng)的。但是，這其中依舊有很多未解之謎，例如，黑洞的視界面周圍看起來是什么樣子；是否與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)相符合；黑洞的噴流是如何產(chǎn)生的，等等。
今年4月，科學(xué)家們針對(duì)黑洞開展了一項(xiàng)了不起的工作——對(duì)黑洞視界區(qū)域的直接觀測(cè)。
黑洞的視界是什么？這項(xiàng)工作還有什么目標(biāo)？這項(xiàng)工作是如何開展的？我們期待著能看到什么呢？帶著這些問題，我們一起一探究竟。
黑洞是什么？
我們之所以能看見物體，是因?yàn)橛泄庾舆M(jìn)入我們的眼睛，那么黑洞（Black Hole）呢？
我們知道，黑洞說的就是某個(gè)時(shí)空區(qū)域，由于引力非常強(qiáng)，以至于速度最快的光子都沒有辦法逃離。連光子都沒有辦法逃離，也就是沒辦法被我們看見，所以被稱為黑洞。
或者你可以想像一條瀑布，水從上至下，一旦物體接近瀑布的高處邊緣，想要逃離邊緣就很難，命運(yùn)只可能是順著水流從高處落下。
早在1783年4月，John Michell就發(fā)表過文章，他的簡(jiǎn)要計(jì)算表明，如果一個(gè)天體密度和太陽(yáng)差不多，而直徑是太陽(yáng)的500倍，它所對(duì)應(yīng)的逃逸的速度就會(huì)比光速還要大，也就是說光也沒辦法逃離它，無法被人觀測(cè)到，當(dāng)時(shí)稱這類天體為暗星（dark star）。
1915年，愛因斯坦發(fā)表他的廣義相對(duì)論，闡明物質(zhì)質(zhì)量決定時(shí)空如何彎曲，而時(shí)空彎曲決定了物質(zhì)將如何運(yùn)動(dòng)。
幾個(gè)月之后，卡爾·史瓦西給出了第一個(gè)精確解+史瓦西解，他描述了不帶電的物質(zhì)球?qū)ΨQ塌縮的過程。而之后的其他科學(xué)家們也紛紛提出了具有更復(fù)雜性質(zhì)的黑洞解。
和蟲洞一樣，黑洞也是被愛因斯坦所提出的方程的一種解的形式所預(yù)言存在的。而和蟲洞不同的是，黑洞是目前已經(jīng)被天文學(xué)家間接和直接證明存在的一類天體。
黑洞有什么特點(diǎn)？
任何質(zhì)量的物體，都對(duì)應(yīng)有一個(gè)臨界半徑，物體如果被壓縮成球體，其半徑小于這個(gè)臨界半徑后就會(huì)發(fā)生重力坍縮。
這也就意味著，其實(shí)你也可以被壓成黑洞，前提是有辦法把你壓縮到很小很小，小到幾乎看不見。
如果讓地球變成一個(gè)黑洞，就要把地球縮小到10億倍，壓到18毫米，相當(dāng)于1分錢的直徑那么大。
如果讓太陽(yáng)變成一個(gè)黑洞，要把太陽(yáng)縮小到10萬(wàn)倍，壓到6千米那么大，密度高達(dá)每立方厘米200億噸。
黑洞-視界，圖片來源：索恩《The Science of Interstellar》
一旦形成黑洞，就會(huì)在周圍形成一個(gè)界面，這個(gè)界面被稱作視界面（event horizon），它就像一堵無形的墻將內(nèi)部被高度扭曲的時(shí)空和外界時(shí)空隔離開，該界面以內(nèi)的物質(zhì)都無法逃離，即使光也不例外，之后其本身將繼續(xù)收縮成為密度無限大的奇點(diǎn)。
光是讓我們能夠了解信息的使者，如果連光都無法逃離該視界面，那就相當(dāng)于沒有使者告訴我們黑洞視界里面發(fā)生什么事情。
如何判斷黑洞存在與否？
其實(shí)，天文學(xué)家們可以通過黑洞對(duì)周圍物質(zhì)的引力影響來間接地判斷它的存在，就像我們雖然看不見風(fēng)，但是可以通過樹葉的擺動(dòng)判斷風(fēng)的存在。
電影《星際穿越》中的黑洞
對(duì)于黑洞，這里的“樹葉擺動(dòng)”可以是周圍物質(zhì)或氣體的運(yùn)動(dòng)、發(fā)出的輻射以及其它由強(qiáng)引力帶來的影響等。
但天文學(xué)家們還從未直接地看到過黑洞。
如果說黑洞的重要性質(zhì)之一是視界半徑，能否直接看到視界半徑的存在呢？這其實(shí)正是天文學(xué)家們?nèi)缃裾谧龅氖虑椤?/p>
今年4月，給黑洞拍個(gè)照
給黑洞拍照？究竟是拍什么呢？其實(shí)就是拍攝黑洞的“暗影”。那么，什么是“暗影”，就是指視界面以內(nèi)看不見的區(qū)域嗎？它是純黑暗的嗎？
并非如此，“暗影”不純暗！今年4月5日至14日開展的拍照黑洞，就是希望能夠拍攝到黑洞的“暗影”。
2000年，F(xiàn)alcke等天文學(xué)家們首次基于廣義相對(duì)論下的光線追蹤程序，模擬出銀河系中心黑洞Sgr A*看起來的樣子。
根據(jù)他們的模擬結(jié)果，如果黑洞后面有一個(gè)類似于吸積盤的平面光源(planar-emitting source)，平面光源發(fā)出的光子，會(huì)受到黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)的影響。天空平面（與視線方向垂直的面）會(huì)被一個(gè)名為黑洞“視邊界”（apparent boundary）的圓環(huán)一分為二。
一邊是在視邊界圓環(huán)以內(nèi)的光子，只要在視界面以外，就能逃離黑洞，但受到很強(qiáng)的引力作用，亮度低；一邊是在視邊界圓環(huán)以外的光子，能繞著黑洞繞轉(zhuǎn)多圈，積累的亮度足夠高。
這樣的結(jié)果是，從視覺上，我們就會(huì)看到在視邊界內(nèi)側(cè)的亮度明顯更弱，相比之下，看起來就像一個(gè)圓形的陰影，外面包圍著一個(gè)明亮的光環(huán)。故此得名黑洞的“暗影”（black hole shadow）。
廣義相對(duì)論預(yù)言，將會(huì)看到一個(gè)近似圓形的暗影被一圈光子圓環(huán)包圍。由于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，黑洞左側(cè)更亮。圖片版權(quán)：D. Psaltis and A. Broderick
那么，這個(gè)“視邊界”或者說“暗影”有多大呢？與什么因素有關(guān)呢？
如果不自轉(zhuǎn)黑洞的視界半徑與史瓦西半徑大小相同，將其記為r，那么它的視邊界就是2.6r；具有相同黑洞質(zhì)量但自轉(zhuǎn)值最大的黑洞呢，視邊界半徑就約是2.3r。
這說明黑洞視邊界的尺寸與r有關(guān)，而與黑洞的自轉(zhuǎn)關(guān)系不大，而r又主要與黑洞質(zhì)量有關(guān)，因此可以說，黑洞質(zhì)量是決定 “視邊界”尺寸的主要因素。
那又為什么要給黑洞拍照呢？
主要有三個(gè)目標(biāo)。
第一，驗(yàn)證廣義相對(duì)論。
廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形狀。如果觀測(cè)結(jié)果與預(yù)言相符，那就驗(yàn)證了廣義相對(duì)論；如果有所不一樣，則說明有一些新的方面需要改進(jìn)。
第二，理解黑洞是如何吃東西的。
黑洞的“暗影”區(qū)域非常靠近黑洞吞噬物質(zhì)形成的吸積盤的極內(nèi)部區(qū)域，這里的信息尤為關(guān)鍵，綜合之前觀測(cè)獲得的吸積盤更外側(cè)的信息，就能更好地重構(gòu)黑洞吃東西的物理過程。
第三，理解噴流的產(chǎn)生和方向。
某些朝向黑洞下落的物質(zhì)在被吞噬之前，會(huì)由于磁場(chǎng)的作用，沿著黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)方向被噴出去。
以前收集的信息多是更大尺度上的，卻沒法知道在靠近噴流產(chǎn)生的源頭處發(fā)生了什么，現(xiàn)在對(duì)黑洞暗影的拍攝，就能助科學(xué)家一臂之力。
拍的是哪些黑洞的暗影呢？
這次的拍攝目標(biāo)，是銀河系中心的黑洞Sgr A*和星系M87的中心黑洞。
之所以選擇Sgr A*，因?yàn)樗堑厍蛏峡催^去最大的黑洞。而另一個(gè)M87里的黑洞，盡管距離我們更遠(yuǎn)——五千三百萬(wàn)光年之外，但黑洞質(zhì)量是60億倍太陽(yáng)質(zhì)量，這使其成為第二大黑洞。
銀河系中心黑洞想象示意圖
Sgr A*的質(zhì)量是430多萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量，對(duì)應(yīng)的r是1300多萬(wàn)千米，“視邊界”的半徑約3300多萬(wàn)千米，綜合它到地球的距離26000光年，“視邊界”看起來的角尺寸約為0.00005角秒。
要知道，從地球上看滿月的尺寸約為30角分，0.00005角秒就相當(dāng)于從地球上看橘子大小的物體（注：0.00005角秒約是30角分的3億分之一，月球直徑約3500多千米，其3億分之一約為11厘米）。
假設(shè)M87中心的黑洞也是個(gè)不自轉(zhuǎn)的黑洞，那么從地球上看過去，M87的“暗影”角尺寸會(huì)略小些。
暗影這么小，要怎么看？
當(dāng)然是用望遠(yuǎn)鏡看啦！
天文學(xué)家們利用的是基于亞毫米波段的電磁波，由于分辨率與所基于的電磁波波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越短，分辨率越高，但技術(shù)難度也更高，目前觀測(cè)基于的是波長(zhǎng)為1.3毫米的電磁波，未來，天文學(xué)家們期望能基于0.8毫米的電磁波來拍攝黑洞暗影。
過去的十年多時(shí)間里，麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家們聯(lián)合了其他機(jī)構(gòu)的同行，讓全球8個(gè)天文臺(tái)計(jì)劃同時(shí)對(duì)銀河系中心的黑洞Sgr A*展開亞毫米波段觀測(cè)，這些望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)稱為“視界面望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope)。
視界面望遠(yuǎn)鏡包括：北美、南美、歐洲和南極的射電望遠(yuǎn)鏡。
望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖，紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地
分辨率與干涉臂長(zhǎng)相關(guān)，臂長(zhǎng)越長(zhǎng)，分辨率越高。這些望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成了一個(gè)干涉陣列，所以視界面望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)之一就是分辨率（分辨能力）高。
這些射電望遠(yuǎn)鏡Sgr A*的暗影尺寸是5r（r指史瓦西半徑），如果視界面望遠(yuǎn)鏡僅利用位于夏威夷、加州和亞利桑那州的射電望遠(yuǎn)鏡，達(dá)到的分辨率是6r，即能將相距6r的兩個(gè)物體區(qū)分開。如果加上ALMA，分辨率達(dá)到3r，如果再加上南極的射電望遠(yuǎn)鏡，分辨率將達(dá)到1.5r，絕對(duì)能分辨目標(biāo)源的黑洞“暗影”。
這樣一比較，視界面望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率還要高出1000倍多呢。
視界面望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)特點(diǎn)是靈敏度高。為了得到更高的靈敏度，在觀測(cè)過程中，天文學(xué)家們采用了大望遠(yuǎn)鏡和快速采集數(shù)據(jù)。
那么，這些望遠(yuǎn)鏡如何合作呢？
天文學(xué)家們采用射電干涉技術(shù)，多臺(tái)設(shè)備同時(shí)看和記錄，然后數(shù)據(jù)匯總到一起分析，每天晚上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)到2PB（1PB=1048576GB，相當(dāng)于50%的全美學(xué)術(shù)研究圖書館藏書咨詢內(nèi)容）。所以說，數(shù)據(jù)處理和理論分析是對(duì)天文學(xué)家提出的挑戰(zhàn)。
黑洞本身很簡(jiǎn)單，但是從數(shù)據(jù)中挖掘出來的細(xì)節(jié)很大程度上取決于黑洞周圍復(fù)雜的環(huán)境，因此我們需要能建模重構(gòu)出這些復(fù)雜的環(huán)境。
數(shù)據(jù)量之多，處理難度之大，造成黑洞暗影的照片被處理出來還需要近一年的時(shí)間，預(yù)期最快2018年上半年能看到處理結(jié)果。
盡管難度大，面臨挑戰(zhàn)多，但天文學(xué)家作出計(jì)劃，邁開合作觀測(cè)這一步。
讓我們等著黑洞暗影照片的出爐，更期待的是從照片講出的故事，是驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，還是發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論有可改進(jìn)之處？是否為黑洞吃東西、噴流等帶來新的前進(jìn)契機(jī)？讓我們拭目以待！
致謝：在此感謝上海天文臺(tái)韓文標(biāo)老師和國(guó)家天文臺(tái)茍利軍老師對(duì)作者理解黑洞暗影所提供的幫助。
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