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第一張黑洞照片，來(lái)自550萬(wàn)光年外的梅西耶87（M87）

幾十年來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)公布了一大堆有關(guān)黑洞的觀測(cè)數(shù)據(jù)和各種各樣的照片，但那些照片拍到的都是黑洞周圍的氣體或其他物質(zhì)，黑洞本身只是一個(gè)不可分辨的斑點(diǎn)；還有些照片拍到的只是從某個(gè)天體中傾泄而出的巨大能量，天文學(xué)家推測(cè)這個(gè)天體應(yīng)該是黑洞。事實(shí)上，僅憑這些證據(jù)，我們甚至不能確定黑洞是否真的存在。

天文學(xué)家已經(jīng)在天空中發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)量足夠大、密度足夠高的天體，如果愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是正確的，它們就必定是黑洞。不過(guò)此前，我們始終無(wú)法確定這些天體是否擁有一個(gè)讓物質(zhì)只進(jìn)不出的視界——這個(gè)視界才是定義黑洞的最重要特征。提出這一問(wèn)題并非只為滿足純粹的好奇心，而是因?yàn)檫@樣的視界涉及理論物理學(xué)中一個(gè)最深層次謎題的核心。顯示黑洞事件視界黑暗剪影的照片，能幫助我們理解發(fā)生在黑洞周圍的異乎尋常的天體物理過(guò)程。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，直接觀測(cè)黑洞困難重重。

一個(gè)顯著的問(wèn)題是，黑洞對(duì)于地球上的觀測(cè)者而言實(shí)在太小了。現(xiàn)在天文學(xué)家認(rèn)為，絕大多數(shù)星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，這些黑洞的質(zhì)量可達(dá)數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量，有些黑洞的直徑甚至超過(guò)我們的太陽(yáng)系，而即使是它們，由于距離地球非常遙遠(yuǎn)，在天空中占據(jù)的角尺度也極小。距離最近的超大質(zhì)量黑洞是人馬座A*，位于銀河系的中心，質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)。它的視界在天空中的張角只有50微角秒，大約相當(dāng)于月球上的一張DVD。要想分辨角尺度這樣小的天體，我們需要一架分辨能力比哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還要高2000倍的望遠(yuǎn)鏡。

其次，只有很小一部分黑洞周圍擁有大量氣體可供吸積，因此能夠被我們看到；銀河系中的絕大多數(shù)黑洞迄今仍然未被發(fā)現(xiàn)。

不僅如此，我們到黑洞的視線還會(huì)因兩種不同原因而被遮擋。首先，目標(biāo)位于星系的正中心，在這里由氣體和塵埃組成的稠密云團(tuán)會(huì)封堵住大部分電磁波段。其次，我們想要探測(cè)的發(fā)光物體是由旋轉(zhuǎn)著落向視界的高度壓縮物質(zhì)組成的灼熱漩渦，這些物質(zhì)本身對(duì)大部分波長(zhǎng)的電磁輻射也是不透明的。因此，只有極狹窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射，能夠從黑洞邊緣逃離，被地球上的觀測(cè)者看到。

不過(guò)，在直接拍下疑似黑洞的直接影像之前，天文學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種技術(shù)，揭露了緊緊圍繞疑似黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)的種種性質(zhì)及行為方式。

比方說(shuō)，通過(guò)觀察附近恒星的運(yùn)行方式，天文學(xué)家就能稱量出一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的重量，就像利用行星的軌道來(lái)給太陽(yáng)稱重一樣。在遙遠(yuǎn)的星系里，超大質(zhì)量黑洞附近的單個(gè)恒星無(wú)法分辨，但那些恒星的光譜能夠揭示它們的速度分布，從而得出這個(gè)黑洞的質(zhì)量。

天文學(xué)家還在黑洞附近發(fā)出的輻射隨時(shí)間變化的模式當(dāng)中，尋找廣義相對(duì)論留下的記號(hào)。比如說(shuō)，一些恒星質(zhì)量的黑洞發(fā)出的X射線輻射，在亮度上會(huì)發(fā)生準(zhǔn)周期變化，這一變化周期又與黑洞吸積盤(pán)最內(nèi)側(cè)附近理論預(yù)計(jì)的軌道周期十分接近。

在此之前，探測(cè)超大質(zhì)量黑洞最富有成效的方法，是觀測(cè)吸積盤(pán)表面鐵原子發(fā)出的熒光。吸積盤(pán)攜帶著鐵原子快速轉(zhuǎn)動(dòng)，再加上黑洞本身強(qiáng)大引力的作用，會(huì)使鐵原子熒光的特征波長(zhǎng)發(fā)生偏移，并擴(kuò)散到某個(gè)波段范圍。在快速自轉(zhuǎn)的黑洞附近，吸積盤(pán)本身圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的速度會(huì)加快，因此這種輻射會(huì)展現(xiàn)出一種不對(duì)稱性，從而泄露天機(jī)。

日本的“宇宙學(xué)及天體物理學(xué)高新衛(wèi)星”（ASCA）和“朱雀”（Suzaku）X射線天文衛(wèi)星已經(jīng)觀測(cè)到了這樣的輻射，天文學(xué)家把這些觀測(cè)解讀為高速自轉(zhuǎn)黑洞的直接證據(jù)，那些吸積盤(pán)中的軌道速度高達(dá)光速的1/3。

圖中數(shù)值模擬結(jié)果顯示，落向黑洞的物質(zhì)應(yīng)會(huì)產(chǎn)生能用來(lái)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦引力理論的現(xiàn)象。

而要直接觀測(cè)到黑洞，我們必須尋求口徑更大的射電望遠(yuǎn)鏡。事件視界望遠(yuǎn)鏡（event horizon telescope，EHT）項(xiàng)目的目標(biāo)正是通過(guò)國(guó)際合作來(lái)克服這些困難，對(duì)黑洞進(jìn)行細(xì)致的觀測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)在地球表面觀測(cè)所能達(dá)到的最高角分辨率，EHT采用了一項(xiàng)被稱為“甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量”（VLBI）的技術(shù)——天文學(xué)家利用位于地球不同位置的射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)分別記錄在硬盤(pán)上，之后再利用超級(jí)計(jì)算機(jī)整合這些數(shù)據(jù)，得到一張圖像。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，分布在地球上不同大洲的許多望遠(yuǎn)鏡組成了一架虛擬的、地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡。而望遠(yuǎn)鏡的分辨能力由觀測(cè)波長(zhǎng)與望遠(yuǎn)鏡尺寸的比值決定，所以VLBI通?？梢栽谏潆姴ǘ螌?duì)天空進(jìn)行高分辨率成像觀測(cè)，分辨能力遠(yuǎn)超所有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

這次觀測(cè)銀河系中心黑洞的事件視界望遠(yuǎn)鏡由8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成，它們分別是：南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）、智利的阿塔卡馬大型毫米波陣（ALMA）、智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（APEX）、墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）、美國(guó)亞利桑那州的亞毫米望遠(yuǎn)鏡（SMT）、美國(guó)夏威夷的亞毫米望遠(yuǎn)鏡（SMA）、美國(guó)夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT），以及西班牙射電天文臺(tái)的30米口徑毫米波望遠(yuǎn)鏡（IRAM）。

8架射電望遠(yuǎn)鏡或干涉陣參與了此次觀測(cè)。（圖中IRAM布雷高原干涉儀未參與此次觀測(cè)）每架望遠(yuǎn)鏡都位于高海拔處，以保證地球大氣對(duì)信號(hào)的吸收降到最低。利用全球范圍的設(shè)備以及在毫米波段進(jìn)行觀測(cè)，該天線陣的有效角分辨率將達(dá)到數(shù)百萬(wàn)分之一角秒——足以看清月球上一張DVD。

我們銀河系里的龐然大物人馬座A*是EHT的第一個(gè)觀測(cè)目標(biāo)。這個(gè)黑洞距離我們“僅有”24 000光年，是天空中所有已知黑洞里看上去圓面最大的一個(gè)。一個(gè)10倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，距離我們必須比最靠近太陽(yáng)的恒星還近100倍時(shí)，看起來(lái)才會(huì)跟人馬座A*一樣大。盡管宇宙中還存在著比人馬座A*更大的超大質(zhì)量黑洞，但它們都遠(yuǎn)在幾百萬(wàn)光年以外。

在VLBI觀測(cè)的波長(zhǎng)上（接近于1毫米），銀河系幾乎是“透明的”，因此在觀測(cè)人馬座A*時(shí)，EHT在視線方向上受到的氣體干擾是最小的。相同波長(zhǎng)的電磁波還能夠穿透落向黑洞的物質(zhì)，讓我們能夠深入到人馬座A*視界周圍最靠近內(nèi)部的區(qū)域。而且非常巧合的是，一架地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡在毫米波段的分辨能力剛好能夠分辨距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞的視界。

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)拍攝的第二個(gè)目標(biāo)，是據(jù)信位于巨橢圓星系M87中心的黑洞。這個(gè)黑洞距離地球5500萬(wàn)光年，2009年6月，美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的卡爾·格布哈特（Karl Gebhardt）和德國(guó)加爾興馬普地外物理研究所的延斯·托馬斯（Jens Thomas）合作，測(cè)定出這個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于64億顆太陽(yáng)——足以使它剪影的直徑“膨脹”到人馬座A*剪影的3/4。

黑洞及周圍結(jié)構(gòu)圖

EHT此次公布的發(fā)現(xiàn)，來(lái)自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞會(huì)在周圍吸積氣體的輻射構(gòu)成的“背景墻”上投下一個(gè)剪影。之所以會(huì)形成這樣一個(gè)“陰影”，是因?yàn)楹诙磿?huì)把從它背后發(fā)出并射向觀測(cè)者的光線全部吞噬。與此同時(shí)，從黑洞背后發(fā)出又剛好擦過(guò)視界的其他光線，會(huì)使“陰影”周圍增亮而形成一片明亮區(qū)域。強(qiáng)大的引力透鏡效應(yīng)會(huì)彎折光線，就連處在黑洞正后方的物質(zhì)發(fā)出的光線，都能被彎折到黑暗區(qū)域的周圍貢獻(xiàn)一部分“光亮”。

由此產(chǎn)生的黑色剪影就是所謂的“黑洞大頭照”——在這張照片上，黑洞完全是一團(tuán)漆黑，可謂名副其實(shí)。這個(gè)陰影不會(huì)是一個(gè)對(duì)稱的圓盤(pán)，這主要是因?yàn)橹車鷼怏w的旋轉(zhuǎn)速度極高，幾乎要接近光速。如此高速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)發(fā)出的輻射會(huì)發(fā)生多普勒頻移，輻射方向也會(huì)向物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的方向匯聚而形成一個(gè)狹窄的光錐。因此，在旋轉(zhuǎn)氣體朝向我們運(yùn)動(dòng)的一側(cè)，輻射會(huì)大大增強(qiáng)，而在背向我們運(yùn)動(dòng)的另一側(cè)，輻射會(huì)大幅減弱。這樣一來(lái)，出現(xiàn)在圓盤(pán)狀黑暗剪影周圍的就不會(huì)是一個(gè)完整的亮環(huán)，而是一個(gè)新月?tīng)盍粱?。只有在我們的視線恰好與吸積盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸重合的情況下，這樣的不對(duì)稱才會(huì)消失。

黑洞本身的自轉(zhuǎn)也會(huì)產(chǎn)生類似效果，但自轉(zhuǎn)方向可能與吸積盤(pán)旋轉(zhuǎn)的方向不同。因此這樣的照片能讓天文學(xué)家確定這個(gè)黑洞自轉(zhuǎn)的方向，以及吸積盤(pán)相對(duì)于黑洞自轉(zhuǎn)的傾斜角。這兩個(gè)參數(shù)對(duì)天體物理學(xué)來(lái)說(shuō)同等重要，這些數(shù)據(jù)將為吸積理論提供無(wú)價(jià)的觀測(cè)輸入，徹底解決氣體密度和吸積流內(nèi)邊緣幾何結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。

這次發(fā)現(xiàn)，讓我們?cè)诤诙催吘夁@樣引力極強(qiáng)的環(huán)境下驗(yàn)證廣義相對(duì)論。

1973年，霍金等人提出了黑洞無(wú)毛定理。根據(jù)這一定理，任意被視界包裹的黑洞都可以被三個(gè)物理量完整地描述：質(zhì)量、自旋和電荷。換言之，任意兩個(gè)黑洞，只要質(zhì)量、自旋和電荷都相等，那么這兩個(gè)黑洞應(yīng)該是完全一樣的，就像兩個(gè)電子一樣是不可區(qū)分的。根據(jù)該定理的描述，黑洞是沒(méi)有“毛發(fā)”的，沒(méi)有任何幾何上的不規(guī)則性或其他可區(qū)分的性質(zhì)。

如果無(wú)毛定理是錯(cuò)的，廣義相對(duì)論至少需要得到修正。對(duì)這一定理的數(shù)學(xué)證明沒(méi)有留下任何回旋的余地。

最初考慮利用VLBI對(duì)黑洞進(jìn)行成像觀測(cè)的時(shí)候，我們認(rèn)為可以利用黑洞“陰影”的形狀及尺寸來(lái)了解黑洞的自轉(zhuǎn)速度及其自轉(zhuǎn)軸的方向。然而，數(shù)值模擬卻給了我們一個(gè)意外的驚喜：在模擬中，無(wú)論我們?nèi)绾胃淖兒诙吹淖赞D(zhuǎn)速度以及虛擬觀測(cè)者的位置，黑洞的“陰影”總是呈現(xiàn)為近似圓形，并且其尺寸大約為視界半徑的5倍。由于某一幸運(yùn)的巧合——或者有某一尚未被我們發(fā)現(xiàn)的深層次物理規(guī)律，不管我們?nèi)绾胃淖兡Ｐ椭械膮?shù)，黑洞“陰影”的大小和形狀都保持不變。

這一巧合對(duì)于我們驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的理論是極有利的，因?yàn)樗鼉H在相對(duì)論成立的前提下出現(xiàn)（見(jiàn)下圖）。而對(duì)人馬座A*的觀測(cè)結(jié)果顯示，其“陰影”的大小或形狀與我們的預(yù)言相吻合，這進(jìn)一步印證了無(wú)毛定理——進(jìn)而也驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。

這次發(fā)現(xiàn)無(wú)疑幫助我們確認(rèn)，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論——特別是它關(guān)于黑洞的預(yù)言——將毫發(fā)無(wú)損地再成立一個(gè)世紀(jì)。

本文部分內(nèi)容來(lái)自環(huán)球科學(xué)《黑洞?？分械膬善恼隆恫蹲胶诙从跋瘛罚ㄗ模喊８ダ铩げ剂_德里克、亞伯拉罕·洛布）、《靠近黑洞，驗(yàn)證廣義相對(duì)論》（撰文：迪米特里奧斯·普薩爾蒂斯、謝潑德·德勒曼）。