無論怎樣看， 這個(gè)名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，簡稱 EHT）的項(xiàng)目都顯得不太靠譜，這些天文學(xué)家絕不可能成功。
可事實(shí)上，黑洞的照片從未像現(xiàn)在這樣觸手可及！是的，就是黑洞，這令天文學(xué)家和好萊塢場景設(shè)計(jì)師都無比著迷的神秘天體，我們終于可以看到它們的真面目了。
這堪稱一場史無前例黑洞“攝獵”，共有近百名科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員參與其中，調(diào)動了散布于全球的 9 個(gè)天文臺的力量。眾人關(guān)注的目標(biāo)名為人馬座A*。這個(gè)黑洞位于人馬座方位（它由此得名），距地球約 2.6 萬光年，相當(dāng)于 24.6億億千米。是的，就是這么遠(yuǎn)！因?yàn)槿笋R座 A* 處于銀河系的中心，而地球位于銀河系的“郊區(qū)”（確切地說位于獵戶旋臂上），所以肯定隔著一大段距離。
圖為人馬座 A*，也就是位于銀河系中心的黑洞，這實(shí)際上是事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)用計(jì)算機(jī)模擬生成的圖像?？茖W(xué)家希望到近期能夠獲取真正的黑洞照片。
這個(gè)遙遠(yuǎn)的距離是一大難題。因?yàn)楸M管要拍攝的這個(gè)黑洞體積頗為龐大——直徑約為太陽的 20 倍，但隔了那么遠(yuǎn)，它就會顯得非常小。觀測的難度相當(dāng)于人在地球，卻要在月球表面尋找一枚硬幣。但距離還不是該項(xiàng)目遇到的唯一障礙。拍攝對象本身就帶來了難題。
顧名思義，黑洞是黑的。而太空背景也是黑的。換句話說，我們要在黑色的背景中找出黑色的圓點(diǎn)。這對比度太有挑戰(zhàn)性了，不是嗎？
仿佛上述這些還不夠麻煩似的，人馬座 A* 周圍還存在著大量塵氣云，就如同一片大幕把舞臺遮得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，擋住了我們觀察的視線。這些困難疊加在一起，的確令人氣餒。不過，參與“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目的科學(xué)家已做好了迎難而上的準(zhǔn)備。
位于阿爾卑斯山的北方擴(kuò)展毫米波天文臺（NOEMA）參與了對黑洞的拍攝。該天文臺于 2014 年投入使用，共有 9 臺射電望遠(yuǎn)鏡。圖中所示是天文臺 2019 年的規(guī)劃，屆時(shí)將建成全部 12 臺直徑 15 米的射電望遠(yuǎn)鏡。
你也許會問：他們要用什么儀器觀測呢？事實(shí)上，目前任何一臺天文望遠(yuǎn)鏡都不具備所需的超高分辨率。為此，天文學(xué)家調(diào)動了位于世界各地的 9 個(gè)天文臺，并使用了一種復(fù)雜的方法——干涉測量法。
簡單地說，我們可以把來自兩個(gè)天文臺的圖片疊加起來合成一張圖片，以未必完全精確的方式逼近一臺鏡片直徑相當(dāng)于地球直徑的巨型望遠(yuǎn)鏡的成果！而之所以要調(diào)動位于世界各地的 9 個(gè)天文臺，則是為確保每時(shí)每刻至少有兩臺這樣的巨型望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)黑洞。
不過，如前所述，科學(xué)家還面臨兩個(gè)主要障礙：首先是如何透過塵氣云的“幕布”觀察黑洞，其次是如何在黑色背景中識別黑洞。但事實(shí)上，這兩個(gè)難關(guān)可能已經(jīng)同時(shí)被克服了。要想知道為什么，我們需要首先普及一下關(guān)于黑洞的一般知識。
別指望能看到黑洞的表面：按照黑洞的定義，任何光線都無法逃脫黑洞的引力。因此黑洞在理論上是無法被看到的。然而，我們可以觀察黑洞的“事件視界”，那是我們能夠靠近黑洞而不被吸進(jìn)去的最近距離。
事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目同樣在關(guān)注M87 星系的黑洞，即圖中人工上色處。M87星系黑洞距地球 5300 萬光年，比人馬座 A* 遠(yuǎn)得多，但質(zhì)量千倍于后者，且活躍得多。觀測結(jié)果定會十分引人入勝。
有些時(shí)候，氣體云會離黑洞太近，于是在后者巨大引力作用下，氣體開始圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)物質(zhì)盤。氣體因摩擦而被加熱，發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。它的旋轉(zhuǎn)速度會越來越快，直至穿越事件視界，永遠(yuǎn)地消失在黑洞中。 事件視界望遠(yuǎn)鏡要觀察的， 正是那圍繞著黑洞輪廓的碟形光環(huán)。
是的，但我們首先要想辦法掀開那層幕布，因?yàn)閴m埃會阻擋可見光。幸運(yùn)的是，圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的碟形光環(huán)不僅發(fā)出可見光，它還會輻射出大量 X 射線、紫外線，甚至射電波。這三種輻射在本質(zhì)上與光線相同，只是我們無法看到它們，因?yàn)槿搜廴狈ο鄳?yīng)的感受器。人馬座 A* 的射電輻射特別強(qiáng)大，事實(shí)上人們在 1990年代開始懷疑其存在也正是因?yàn)槠浒l(fā)出的射電輻射。射電波有著“穿透”塵埃的能力。
這是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對銀河系中心的紅外線觀測。圖片顯示了人馬座A*附近區(qū)域的x射線，這是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。
為什么會這樣？ 要知道，光具有波的性質(zhì)，就像海浪那樣。 想象海中有座小島，通常情況下，海浪會拍打在海島的沙灘上，但當(dāng)發(fā)生海嘯時(shí)，小島就無法擋住巨浪了，浪頭會越過小島繼續(xù)前進(jìn)。射電波穿越塵氣屏障的原理與此類似。射電波的波長介于幾毫米到幾厘米之間，遠(yuǎn)大于塵埃微粒和氣體分子，因此可以輕松地穿透它們繼續(xù)向外傳播。相反，可見光的波長要短得多（小于萬分之一毫米），故而無法穿透塵埃。
為了拍攝黑洞的玉照，天文學(xué)家將收集毫米級波長的射電信號，因?yàn)樗鼈兡軌虮容^不受阻礙地在宇宙空間穿行。所以嚴(yán)格地說，科學(xué)家想要獲得的并不是傳統(tǒng)意義上的“照片”，而是用“無線電之光”成像的照片。
但請別失望，射電圖像也可以和光學(xué)照片一樣美麗：科學(xué)家會將各種顏色賦予不同波長的電波，從而將其“轉(zhuǎn)化”成可見光圖像。就像我們用紅外成像檢驗(yàn)房屋的保溫性能一樣：雖然紅外線是肉眼不可見的，但計(jì)算機(jī)能根據(jù)不同位置的紅外線強(qiáng)度，相應(yīng)地給出紅、藍(lán)、白等顏色?？傊覀兛梢院苋菀椎孬@得漂亮的圖像。
當(dāng)然，科學(xué)家拍到這張照片后絕不會僅僅把它裝進(jìn)鏡框掛起來就完事。他們會借此機(jī)會驗(yàn)證這幾年來建立的黑洞計(jì)算機(jī)模型是否正確。尤其重要的是，可以驗(yàn)證黑洞的質(zhì)量（目前估計(jì)為太陽質(zhì)量的 400 萬倍）、直徑以及自轉(zhuǎn)速度等指標(biāo)。那么，什么時(shí)候能看到這張照片呢？別急，2017 年 4 月，該項(xiàng)目對黑洞進(jìn)行了 10 天的拍攝。由于數(shù)據(jù)量極為龐大，它們無法通過網(wǎng)絡(luò)傳送，因此被儲存在硬盤里，送往德國馬普研究所和美國麻省理工學(xué)院處理。預(yù)計(jì)我們很快就能看到初步的成果。
這僅僅是一個(gè)開始！為了觀測黑洞周圍物質(zhì)盤的演化，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目將連續(xù)五年對人馬座 A* 進(jìn)行拍攝。靜止圖像將變成動態(tài)影片……這影片雖然未必會像《星際穿越》中那么令人嘆為觀止，但要真實(shí)得多。
撰文 Fabrice Nicot
編譯 王師
