4月10日，全世界似乎都在為一件事情而瘋狂，在六個地方同時舉行的全球發(fā)布會上，事件視界望遠鏡(EHT)的國際團隊向地球人公布了第一張黑洞事件視界的圖片，并在發(fā)言中稱“我們已經(jīng)看到了我們認為看不到的東西……你看到的是視界的證據(jù)?！?br>
▲ 上周的刷屏網(wǎng)紅，來自M87星系的黑洞（吸積盤）影像
這張高角度分辨率的圖片，描繪了位于M87星系中心的65億個太陽質(zhì)量的黑洞，距離地球約5500萬光年。
它揭示了理論中所預(yù)言的視界是存在的，并再一次證實了阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論。M87在天空中的位置如下圖所示。
▲ 在中北緯地區(qū)觀察到的M87方位
通過安置在夏威夷、亞利桑那、西班牙、墨西哥、智利和南極洲等地區(qū)的八個射電望遠鏡所組成的網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家們創(chuàng)造了一個地球大小的虛擬望遠鏡，叫做超長基線干涉測量，簡稱VLBI，它的放大率是哈勃太空望遠鏡的2000倍。而在每一個望遠鏡上都放置了原子鐘，保證它們可以在同一時間觀察同一對象。除了M87，被列為拍攝對象的還有人馬座A。
觀測所采用的射電波長是1.3毫米，這是能夠穿過阻擋黑洞陰影的氣體的完美波長。最后一共獲得了幾個PB的數(shù)據(jù)，匯總到了德國馬普射電天文學(xué)研究所和美國MIT海斯塔克天文臺進行統(tǒng)一處理。
這當(dāng)中，為了等到南極開春，好把南極望遠鏡的數(shù)據(jù)運出來，還耽擱了好幾個月?？芍^費盡周折，但，一切都值得，因為這是黑洞，可能是宇宙中為數(shù)不多的人類迄今仍想盡方法要得知其真面目的事物之一了。
可能大多數(shù)人都和我一樣，想到“黑洞是什么樣子的”，腦子里就會浮現(xiàn)諾蘭電影《星際穿越》中的那個在物理學(xué)家基普·索恩指導(dǎo)下、由倫敦的視效公司Double Negative所制作的Gargantua黑洞，它被打出了“史上最精確的黑洞圖片”這樣的宣傳語，甚至成了這部科幻大片的噱頭之一。
據(jù)稱，為了做出影片中需要的這個黑洞，索恩給了視效團隊一份長長的寫滿了公式的備忘錄，讓他們用這個寫了一個新的渲染器，為了確保方法有效，還先拿蟲洞練了練手。最后，30個人、數(shù)千臺計算機一年的工作成果，得到了那張著名的黑洞“照片”。
▲ 在渲染器中運行不同效果
建立這個模型的關(guān)鍵在于對吸積盤的理解，吸積盤是一團凝聚在一起的物質(zhì)，它圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，因此，盡管我們從小就被告知“因為黑洞吸收所有光線，所以它不可見”，卻仍有辦法通過描述它周圍那一團還沒被吸進去的物質(zhì)，來勾勒它的輪廓。
工作室創(chuàng)建了一個多色的平面圓環(huán)代表吸積盤，事實證明，它不僅漂亮，而且有用。
▲ 吸積盤被模型化為一個色彩絢麗的平面圓環(huán)
作為拿過奧斯卡最佳特效的工作室，Double Negative的了不起之處在于他們嚴格而巧妙地對模型做演示，最終產(chǎn)生了一個讓索恩也贊嘆的效果，黑洞外圍扭曲的時空同樣使得吸積盤也發(fā)生彎曲，于是產(chǎn)生了一個奇特非凡的光暈。這個發(fā)現(xiàn)后來被索恩也用到了自己的論文中，
▲ 索恩及其同事一篇談CG技術(shù)的論文中的黑洞，根據(jù)Double Negative的演示結(jié)果生成
細心的你應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了，索恩論文中所用到的CG圖，和電影中的那張圖之間的最大不同——左右兩邊的亮度不一樣。這也是索恩數(shù)次怨念，甚至在他的《星際穿越中的科學(xué)》一書中提到的一個遺憾，諾蘭不想增加觀眾們理解起來的難度，所以就沒有采用那個不對稱的真實描述，而用了下面這個物理上有問題的樣子，美則美矣。
▲《星際穿越》中的Gargantua黑洞最終采用的形象
對《星際穿越》中黑洞形象提出批評的人士當(dāng)中，來自巴黎天文臺的Jean-PierreLuminet是最為重要的一位，這本出過法語版暢銷書Les trous noirs（黑洞的意思）的科學(xué)家，寫了一篇15頁的關(guān)于電影科學(xué)的論文，嚴正討論了這個問題，“這種強烈的不對稱的視光度，是一個黑洞的主要特征，黑洞是唯一的天體對象，能夠給其吸積盤內(nèi)部區(qū)域一個接近光速的旋轉(zhuǎn)速度，這會誘發(fā)一個非常強的多普勒效應(yīng)?！?/p>
▲ Luminet的Les trous noirs有好幾個版本，這是其中的兩個
Luminet對這一點如此不滿，端的是有來由。事實上，早在1979年，擁有數(shù)學(xué)背景的他，就做出了真正稱得上最為精確的黑洞模擬圖，還是在一臺IBM7040打孔機的幫助下完成的——什么概念？就是它產(chǎn)于上個世紀60年代，計算能力還遠遠比不上你的家用計算器。
利用打孔計算機返回的數(shù)據(jù)，他煞費苦心地用鋼筆和墨水在負片紙上進行手工繪制，就像一個人形打印機那樣，做出了下面這張珍貴的科學(xué)圖像。
它向我們展示了落入黑洞的那個扁平物質(zhì)盤可能是什么樣子。后來在發(fā)表于arXiv的一篇論文中，他解釋道：“實際上，引力場使黑洞附近的光線彎曲得如此厲害，以至于盤的后部‘顯露’出來……光線的彎曲也產(chǎn)生了一個次級圖像，讓我們可以從觀察者那里看到吸積盤的另一邊，也就是黑洞的另一邊?！?/p>
▲ 1979年，Luminet結(jié)合計算機數(shù)據(jù)做出這張人工“打印”黑洞
Luminet的圖像描繪了《星際穿越》中未曾表現(xiàn)的另外兩個重要現(xiàn)象：一個是離黑洞邊緣近的地方，能量和光更強，而遠離黑洞的地方，能量和光更弱；另一個是由吸積盤旋轉(zhuǎn)引起的多普勒效應(yīng)和愛因斯坦效應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)向的不同，吸積盤的旋轉(zhuǎn)會使一側(cè)的光看起來更亮。在上圖中，吸積盤是逆時針旋轉(zhuǎn)的，所以它的光線從左邊接近觀察者，然后從右邊撤退，這使得左邊看起來更亮。
EHT昨天發(fā)布的照片，則是順時針旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)軸和觀察方向有一個17度的夾角，所以我們會看到圖片中吸積盤的下部發(fā)亮。
▲ Luminet的著作英文版封面
后來，計算機的能力不斷加強，軟件也不斷改進，Jean-Pierre Luminet得以做出更加豐富感人的黑洞形象，他和同事Jean-Alain Marck做過一個圖片集，從不同角度展示非旋轉(zhuǎn)黑洞及其吸積盤（中間那一排，我覺得和M87挺像的）。1991年，兩人還在法國拍攝的一個科學(xué)紀錄片中為觀眾做了一個包含多普勒扭曲和不對稱的黑洞。
▲ 不同角度看到的黑洞吸積盤
▲1991年法國科學(xué)紀錄片中的黑洞
不過Luminet本人在2002年就放棄了對黑洞成像的研究，因為他意識到事件視界望遠鏡之類觀察手段的出現(xiàn)，將會對黑洞可視化產(chǎn)生更現(xiàn)實的影響。
在EHC公布圖像之前，Science雜志采訪了這位先驅(qū)，問他對于這次國際合作有可能帶來的黑洞照片有何想法，Luminet非常有預(yù)見性地指出，在人馬座A和M87之間，他看好M87能帶來更清晰的影像，這是基于對吸積盤的判斷。
