一張黑洞照片人類“畫”了40年！明天，我們將共同成為“看見”黑洞的幸運兒
【新民晚報·新民網】1915年
愛因斯坦發表廣義相對論
最先預言了黑洞的存在
2019年4月10日
我們或將成為
第一批“看到”黑洞的人類
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或許你會有些驚訝，天文學家不是早就公佈了一大堆黑洞的照片嗎？
比如像這樣的
但很遺憾，這些都不是黑洞真正的樣子。
下面這張圖或許是大家最熟悉的黑洞形象——相對論物理學家基普·索恩為2014年上映的影片《星際穿越》設計的黑洞形象：“卡岡圖雅”，深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓環。
圖說：電影《星際穿越》中的黑洞形象，周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤
雖然“卡岡圖雅”看著很真實了，但還不夠真。於是為了一睹黑洞的真實模樣，2017年4月，由世界各地8個天文臺的亞毫米射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡網路“事件視界望遠鏡”發力，對銀河系中心黑洞人馬座A*和星系M87中心黑洞展開觀測。觀測結束之後，大型計算機叢集再對各個站點收集的資料進行合併與分析，從而產生黑洞的影象，也就是我們明天即將看到的第一張“黑洞照片”。
說起黑洞，大家都不陌生，但黑洞到底是什麼，能清楚解釋出來的人大概並不多。
“黑洞”一詞在1968年由美國天體物理學家約翰·惠勒提出，但其實早在1783年，英國地理學家、牛頓的“小校友”約翰·米歇爾就已經意識到：一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。
圖說：黑洞藝術概念圖
這也是今天的我們對黑洞的最基本認識：吸入所有一切，連光都逃不出來。
它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力範圍，這個勢力範圍被稱作黑洞的半徑，或事件視界/視介面（event horizon）——顧名思義就是視線所能到達的介面。
天文學家根據質量將宇宙中的黑洞分成了三類：恆星級質量黑洞（幾十倍-上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介於兩者之間）。
根據理論推算，銀河系中光恆星量級的黑洞就有上千萬個，可到目前為止，我們只確認了20多個黑洞的存在。
說起來，人類根本看不到黑洞，那又是怎麼知道黑洞是真實存在於那裡的呢？
鑑於黑洞自身不發光，還會“吞噬”光，很難直接探測，科學家們只能採用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。
圖說：吸積盤、噴流模擬圖
在某些時候，恆星量級的黑洞會存在於一個恆星周圍，將恆星的氣體撕扯到它自己身邊，產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤，也就是吸積盤。
當吸積氣體過多，一部分氣體在掉入黑洞視介面之前，在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去，形成噴流。
吸積盤和噴流兩種現象都因為氣體摩擦，產生了明亮的光與大量輻射，所以很容易被探測到，黑洞的藏身之處也就“暴露”了。
圖說：恆星級黑洞系統示意圖
1978年，天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅影象。當然，這不是一張真正的照片，而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。
圖說：天體物理學家讓-皮埃爾？盧米涅筆下的黑洞
利用電腦模擬產生的資料，盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪黑洞，整個過程就像是一臺人體印表機。這幅模糊的影象展示了觀察者靠得足夠近時看到的一個扁平盤內物質墜入黑洞的景象。
盧米涅並不是唯一一個對黑洞的長相充滿好奇的人。在他之後，很多人都希望對這種神秘的天體進行視覺化。
但給黑洞拍照是這麼容易的嗎？
從17世紀初人類發明望遠鏡至今，天文望遠鏡的口徑越來越大，從最早的2。5釐米口徑，到目前最大的10米口徑光學望遠鏡，還有我國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡，下一代更大口徑的望遠鏡也正在計劃或建設當中，這些望遠鏡無一不凝結了人類的智慧，甚至代表了人類社會的最高科技水平。
圖說：貴州省500米口徑球面射電望遠鏡
然而，要想觀測遙遠黑洞，依靠目前任何單個望遠鏡都遠遠不夠。
因此，在過去10多年時間裡，麻省理工學院的科學家們聯合了其它研究機構的科研人員，開展了激動人心的“事件視界望遠鏡”（EHT）專案。
圖說：望遠鏡在全球分佈示意圖，紅點代表望遠鏡所在地
EHT的“八隻眼睛” 位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極，這8個射電望遠鏡有單鏡、也有望遠鏡陣列，聯合起來能夠“拼成”一個與地球直徑一樣大的虛擬望遠鏡。它們向選定的目標撒出一條大網，撈回海量資料，為我們勾勒出黑洞的模樣。
事件視界望遠鏡這次的觀測目標主要有兩個，一個是銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*），另一個是位於星系M87中的黑洞。
之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標，是因為它們的視介面在地球上看起來是最大的。其它的黑洞要麼很小，要麼很遠，要麼又遠又小，觀測的難度更大。
Sgr A*黑洞的質量大約相當於400萬個太陽，所對應的視介面尺寸約為2400萬公里，相當於17個太陽的大小。
聽上去超大的有沒有！然而地球和Sgr A*相距2萬5千光年（約24億億公里），這就意味著，它巨大的視介面在我們看來，大概只有針尖那麼小，就像我們站在地球上去看一個放在月球表面的橙子。
M87中的黑洞的質量達到了60億個太陽質量，儘管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因為質量龐大，所以它的視介面對我們而言，可能跟Sgr A*大小差不多。
據說，這次拍到的是Sgr A*。
給黑洞拍張照片不容易，“洗照片”更是耗時超長。射電望遠鏡收集了大量關於黑洞的資料資訊，用資料向科學家們描述出黑洞的樣子。
這次跨越南北半球的視介面望遠鏡觀測，因為它所涉及的站點區域非常廣闊，產生的資料量也十分龐大。視介面望遠鏡每一個晚上所產生資料量可達2PB（1PB=1000TB=1000000 GB），和歐洲大型質子對撞機一年產生的資料量差不多。
在觀測結束之後，各個站點收集的資料將被彙集到兩個資料中心。在那裡，大型計算機叢集將會對資料時間進行合併與分析，從而產生一個關於黑洞的影象。掰指頭算算，這一分析就分析了將近兩年。
4年前，LIGO的兩個探測儀探測到了由雙黑洞合併產生的引力波訊號，人類第一次聽到了“宇宙的聲音”。如今，科學家們又在為探尋黑洞的真容而不斷努力。這麼大費周章地給黑洞拍張照，真的值得嗎？
天文愛好者、科學攝影師陳海瀅說，“此前，黑洞的形象僅停留在物理學家以公式表現的形態中，非常抽象。此次實體影像一旦蒐集成功，將讓黑洞成為具體的形象，這對科學研究有巨大的幫助。它將呈現更多人們過去不了解的資訊，指引科學家去做出新的發現。”
明天即將公佈的這張黑洞照片，可能會像電影畫面一樣壯觀絢麗，也可能只有幾個模糊的畫素點，但不管怎麼樣，這張得來不易的照片和EHT專案都意義非凡，這是人類在黑洞觀測史上邁出的重要一步。
它將驗證愛因斯坦的廣義相對論，幫助科學家瞭解黑洞是如何吞噬物體和噴射噴流的，以及證明黑洞的邊緣，即黑洞的視界的存在，或許還能找到不同於黑洞的未知物體。
無論怎樣，
我們即將成為
有史以來第一批“看見”黑洞的人類，
還
真是好運氣呢！
（新民晚報新民眼工作室 徒央）
