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黑洞，正如電影《星際穿越》中所描述的那樣，在一個非常特定旋轉(zhuǎn)黑洞的類別中相當(dāng)精確地展示了一個事件視界。圖片版權(quán)：Interstellar / R. Hurt / Caltech
黑洞是宇宙中最令人難以置信的天體之一。在如此微小的體積中，有如此之多的物質(zhì)聚集在一起，以至于單個物質(zhì)粒子不能像常態(tài)一樣保持它們的狀態(tài)，而是坍縮成一個奇點(diǎn)。圍繞著這個奇點(diǎn)的是一個被稱為事件視界的球形區(qū)域，即使它以宇宙的最高速度移動——光速也是無法逃脫。雖然我們知道形成黑洞的三種不同的方式，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種黑洞的證據(jù)，但從來沒有直接“看到”過黑洞。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些，但從未見過黑洞視界，甚至沒有證實(shí)確實(shí)有黑洞。今年這一切將會改變，因?yàn)榈谝粋€結(jié)果將會被揭示，回答了天體物理學(xué)中最長久的問題之一。
計(jì)劃中的無線電天線的位置是事件視界望遠(yuǎn)鏡陣列的一部分。圖片版權(quán)：Event Horizon Telescope / University of Arizona
黑洞的概念并不是什么新鮮事物，正如科學(xué)家們幾個世紀(jì)以來所研究的那樣，當(dāng)把更多的質(zhì)量聚集到一個給定的體積內(nèi)時，就必須以更快的速度從它所產(chǎn)生的引力中逃離出來。因?yàn)橛幸粋€最大的速度（即速度是有上限的——光速），任何信號都能以光速傳播——超過這個點(diǎn)，從這個區(qū)域內(nèi)的任何東西都被困住了。內(nèi)部的物質(zhì)會試圖對抗引力坍縮，但它試圖發(fā)射的任何力攜帶的粒子都會向中心奇點(diǎn)彎曲；向外推是不可能的。因此，奇點(diǎn)是不可避免的，被事件視界包圍著。是否有任何東西落入事件視界也被困？從事件視界內(nèi)，所有路徑都指向中心奇異點(diǎn)。
活躍黑洞的例子，一個吸積物并且在兩個射流中加速的一部分，可能在很多方面描述了我們星系中心的黑洞。圖片版權(quán)：Mark A. Garlick
實(shí)際上，我們知道有三種機(jī)制來創(chuàng)造真正的天體物理黑洞：
1、超大質(zhì)量恒星演化成超新星爆炸時中心核可能坍塌將超新星前星的大部分轉(zhuǎn)化為黑洞
2、當(dāng)兩顆中子星合并時，如果合并后的質(zhì)量大于2.5~2.75太陽質(zhì)量就會產(chǎn)生黑洞
3、如果一顆大質(zhì)量恒星或氣體團(tuán)能夠直接坍塌，也會產(chǎn)生一個黑洞，其中100％的初始質(zhì)量會進(jìn)入最后的黑洞
插圖一是個簡單的黑色圓圈，一個事件視界可能是什么樣的。圖片版權(quán)：Victor de Schwanberg
隨著時間的推移，黑洞可以繼續(xù)吞噬物質(zhì)，同時在質(zhì)量和體積上都有所增長。如果黑洞的質(zhì)量加倍，它的半徑也會增加倍。如果增加10倍，半徑也會增加10倍。這意味著隨著的黑洞增長，它的視界會變得越來越大。由于沒有任何事物可以逃脫，事件視界在空間上應(yīng)該是一個黑色的“洞”，阻擋了它后面的所有物體的光線，并且由于廣義相對論效應(yīng)，引力彎曲使得更加復(fù)雜。預(yù)計(jì)事件視界將會出現(xiàn)，其規(guī)模將達(dá)到預(yù)測的250%。
黑洞不僅僅是一個疊加在孤立背景上的質(zhì)量，而且還會表現(xiàn)出由于引力透鏡引起的背景光的拉伸，放大和扭曲的引力效應(yīng)。圖片版權(quán)：Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universitt Hildesheim; Axel Mellinger (background)
考慮到所有這些因素，我們可以看到所有已知的黑洞，包括它們的質(zhì)量以及離地球的距離，并計(jì)算出誰是最大的黑洞。人馬座A *銀河系中心的黑洞，它只有27000光年遠(yuǎn)，但仍能達(dá)到驚人的大質(zhì)量，是太陽的4百萬倍。有趣的#二號黑洞是M87的中心黑洞：室女座星系團(tuán)中最大的星系。盡管它的質(zhì)量超過太陽60億倍，但距離地球有五千萬至六千萬光年。如果你想看到一個事件視界，那么我們自己銀河中心就是最佳的觀測點(diǎn)。
事件視界望遠(yuǎn)鏡的模擬顯示了黑洞事件視界的一些可能的輪廓信號。圖片版權(quán)：High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enabled by Beamformed ALMA, V. Fish et al., arXiv:1309.3519
如果有一個像地球一樣大小的望遠(yuǎn)鏡，而且與黑洞之間沒有任何東西阻擋，那么就可以看到它。有些波長對于介入的銀河物質(zhì)是相對透明的，所以如果看看無線電波這樣的長波長光線，可能會看到事件視界本身?，F(xiàn)在沒有一個與地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡，但是我們在全球都有一系列的射電望遠(yuǎn)鏡，還有把這些數(shù)據(jù)結(jié)合起來產(chǎn)生一幅圖像的技術(shù)。“事件視界”望遠(yuǎn)鏡將我們目前最好的技術(shù)結(jié)合在一起，并使得能夠看到第一個黑洞。
不同望遠(yuǎn)鏡的視圖，有助于“事件視界”望遠(yuǎn)鏡有地球半球的成像能力。數(shù)據(jù)是在4月份收集的，應(yīng)該能夠在未來一年內(nèi)檢測（或不檢測）射手座A *周圍的事件視界。圖片版權(quán)：APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
而不是一個單一的望遠(yuǎn)鏡，15到20個射電望遠(yuǎn)鏡排列在全球，同時觀察同一個目標(biāo)。距離最遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡在12000公里以上，可以分辨15微秒（μas）的物體：月球上的飛行物的大小。鑒于射手座A *的質(zhì)量和距離，預(yù)計(jì)會是兩倍以上的：37μas。在無線電頻率上應(yīng)該看到大量的帶電粒子被黑洞加速，但在事件視界本身所在的位置應(yīng)該有一個“空白”。如果我們能夠正確地把這些數(shù)據(jù)結(jié)合起來，那么應(yīng)該能夠第一次構(gòu)建一個黑洞的圖像。
在廣義相對論中，有五種不同的模擬，使用黑洞吸積盤的磁流體動力學(xué)模型，以及無線電信號的結(jié)果。注意所有預(yù)期結(jié)果中事件視界的清晰特征。圖片版權(quán)：GRMHD simulations of visibility amplitude variability for Event Horizon Telescope images of Sgr A*, L. Medeiros et al., arXiv:1601.06799
由事件視界望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡在去年同時拍攝了第一次觀察人馬座A *的照片。數(shù)據(jù)已經(jīng)被整合到一起，目前正在準(zhǔn)備和分析。如果一切都按照設(shè)計(jì)來運(yùn)作，將在2018年擁有第一張圖片。它會像廣義相對論預(yù)言的那樣出現(xiàn)嗎？有一些不可思議的事情要測試：
1、無論黑洞的大小是否與廣義相對論預(yù)測的一樣、
2、事件視界是否為圓形(如預(yù)測的)或扁平化或延長，
3、無線電發(fā)射是否延伸得比我們想象的還要遠(yuǎn)、
4、是否與預(yù)期行為有任何其他偏差。
吸積盤的朝向（左兩個面）或邊緣（右兩個面）可以大大改變黑洞被我們看到的特征。圖片版權(quán)：'Toward the event horizon—the supermassive black hole in the Galactic Center', Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)
無論我們做了什么，都準(zhǔn)備通過構(gòu)建第一個黑洞圖像來實(shí)現(xiàn)難以置信的突破。不再需要依靠模擬或藝術(shù)家的概念圖；我們將有第一個實(shí)際的，基于數(shù)據(jù)的圖片來處理。如果成功的話，它為更長時間的基線研究鋪平了道路。有太空射電望遠(yuǎn)鏡陣列，可以把范圍從一個單一的黑洞擴(kuò)大到數(shù)百個。
如果2016年是引力波年，2017年是中子星合并年，那么2018年將成為事件視界發(fā)生年。對于任何天體物理學(xué)，黑洞和廣義相對論的愛好者，都生活在黃金時代。曾經(jīng)被認(rèn)為“不可測試”的東西突然變成了現(xiàn)實(shí)。
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