如何造一台和地球一樣大的望遠鏡來尋找黑洞？

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

原文以How to hunt for a black hole with a telescope the size of Earth為標題

發布在2017年3月22日的《自然》新聞上

原文作者：Davide Castelvecchi

「事件視界」——黑洞附近有去無回的臨界點，天文學界憧憬著為其首次拍攝圖片。

尋找黑洞的攻略如下：首先，花費數年徵募八個分布於四大洲的頂級射電天文站，進行空前規模的聯合搜尋。隨後，協調作業計劃，讓這些天文站連續幾天同步地將觀測區鎖定到天空的相同區塊。再然後，採集科學史上規模前所未有的觀測數據量——每夜生成2PB（=2048TB）數據。

這正是本月試運行事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, 以下簡稱EHT）的大膽計劃——分布於全球的射電望遠鏡組團形成接近地球大小的虛擬天文站。科研人員希望在他們篩查海量數據時，能夠首次捕捉到位於銀河中心的黑洞的細節，以及位於更遠的M87星系內、尺寸明顯更大的黑洞之圖片。

這個嘗試之所以需要佔用諸多天文研究設備，是由於這些黑洞距離地球如此之遠，相當於在地球上觀察位於月球表面的一個麵包圈，這要求望遠鏡的解析度相較哈勃天文望遠鏡高出1000多倍。但是，即便科研人員只能夠獲取少許模糊的像點，也會對基礎物理、天體物理和宇宙學產生深遠影響。

EHT旨在將視野拉近到每個黑洞的事件視界——越過此界後，引力之強，任何物體都將無法折返。通過獲取這個界限之外實景的圖片，科學家們將能夠對愛因斯坦的廣義相對論進行目前為止最為嚴格的驗證之一。這些圖片可能也有助於解釋，為什麼某些超大質量的黑洞會產生壯觀的高能量噴流，並支配著各自星系及周邊。

ESA advanced conceptsteam; S. Brunier /ESO

但首先需要天公作美。EHT要求八個觀測地點的天空同時清澈如洗——從夏威夷島到安第斯山脈，從比利牛斯山脈再到南極。這些以及其他約束意味著每年只有一個時長兩周的觀測窗口期。「必須萬無一失」，EHT項目總監Sheperd Doeleman說。他是任職於麻省劍橋哈佛大學的天體物理學家。

「射電天文學家喜歡挑戰幾乎不可能完成的事情，」Roger Blandford評論道，EHT將是他們迄今為止面臨的最為艱難的挑戰。他是加利福尼亞斯坦福大學的天體物理學家，不過沒有參與這項合作。

深空怪物

自20世紀70年代起，天文學家就知道銀河中心潛伏著一股反常的輻射源。在充滿塵埃的銀河中心區域人馬座內部，射電望遠鏡撲捉到緻密度非同尋常的天體。他們為其命名人馬座A?（Sagittarius A?，簡稱Sgr A?），並最終收集到有力證據證明那是一個超大質量的黑洞，其質量約相當於400萬個太陽。位於M87星系中心的M87?黑洞質量更甚，約相當於60億個太陽的質量。以天文角直徑為量衡，這兩個黑洞在所有黑洞中擁有已知最大的事件視界。

雖然科學家比較了解較小的黑洞是如何形成的，但沒有人確切知道這類超大質量「怪物」是如何孕育成長的。在很長一段時間內，天文學家都在懷疑望遠鏡的解析度能否發展到可以捕獲這類黑洞的蛛絲馬跡的地步。

挑戰歸根結底源於基本的光學原理。望遠鏡的解析度更多地取決於它的直徑——或者說光圈孔徑，以及所觀測的光的波長。如果望遠鏡直徑翻倍，科學家們能夠分辨的物體尺寸將減半；光的波長減半也有同等效果。對於1.3或0.87毫米波長——僅有的兩個不會被大氣吸收，或者被星際塵埃、高溫氣體散射的輻射頻點——計算顯示，碟形射電天線的直徑需要遠大於地球直徑才能為Sgr A? 或 M87?拍攝圖片。

Nik Spencer/Nature; Avery Broderick/University of Waterloo （中圖與下圖）

但是在上世紀90年代後期，當時就任於馬克斯-普朗克射電天文學研究所（位於德國波恩）的天體物理學家Heino Falcke及其合作夥伴指出，由黑洞引力導致的光線扭曲會像透鏡一樣將Sgr A?黑洞放大5倍左右。這是一個好消息，因為它意味著「甚長基線干涉測量技術（very-long-baseline interferometry，VLBI）」或許可以用於觀測SgrA?黑洞。這項技術整合了全球多個天文站以形成一架虛擬望遠鏡——其有效孔徑相當於各天文站之間的距離。

之所以有一絲希望可以為Sgr A?黑洞以及更大的M87?黑洞成像，是因為它們周圍環繞著超高溫等離子體——可能是沒有被徹底吞噬的恆星被強大的引力撕碎而形成的黑洞外圍殘餘物。這些等離子氣體形成高速旋轉的吸積盤，其內側部分呈螺旋狀落向黑洞。Falcke及其同事們認為，分布於全球的VLBI網路可以對1毫米左右的波長進行觀測，應該剛好可以提供足夠的靈敏度，以分辨Sgr A?黑洞在吸積盤氣流的光環上形成的陰影。

他們同時模擬了VLBI網路可能會觀測到的景象。與大多數描繪黑洞的藝術想像圖相反，黑洞後側的吸積盤並不會像部分土星環被土星遮蔽那樣消失。黑洞周圍不存在遮擋：引力會扭曲時空，而在黑洞周圍發生的扭曲如此之強，以至於光線繞過黑洞，形成黑洞背面的多次畸變的像。這應該會讓吸積盤看上去像圍繞黑洞陰影的光環。（2014年大片《星際穿越》是第一部準確描述了這種光線圍繞黑洞的現象的電影。）

但它不會是多數文藝復興時期畫作里的那種普通的光環。吸積盤內側區域的旋轉速度接近光速，因此吸積盤的一側——即轉向觀測者的那一側會比另一側明亮很多。觀測到的形狀應該會猶如一個新月（見附圖「暗黑力量」）。

Falcke現已轉到荷蘭內梅亨大學，他曾在2004年參與了針對Sgr A?黑洞的首批VLBI觀測的其中一次。他們使用的是美國國家射電天文台在美國境內的網路，其跨度為2000公里，接收波長為7毫米。他們得到的僅僅是一個光斑，像是透過一塊毛玻璃觀察黑洞。

同時，從2007開始，由Doeleman帶領的團隊也單獨對SgrA?和M87?兩顆黑洞進行了VLBI觀測。他們利用三個天文站組成的VLBI網路對1.3毫米波長進行測量，雖然未拍攝到事件視界的圖片，但給出了其尺寸的上限。

這兩個團隊最終合力並聯合其他機構形成了現有的EHT合作體。隊伍逐步壯大，調用的射電望遠鏡數量也隨之增長。

4月，EHT將能夠進行總共4次或5次夜晚觀測，限制主要來自他們獲准使用的阿塔卡瑪大型毫米波天線陣（ALMA）。ALMA位於智利，造價達14億美元，是目前最先進的天文站，也是世界上預訂超額率最高的天文站之一。他們計劃用兩晚觀測Sgr A?，再用兩晚觀測M87?。亞利桑那大學（位於美國圖森市）的理論天體物理學家Feryal ?zel解釋說，在每個觀測點，原子鐘會標記每段電磁波的波峰和波谷到達的時間，精度達到十分之一納秒。

在典型的干涉測量法中，不同接收地點得到的到達時間是實時比較的，再通過三角法得到源點位置並重構圖像。但是，由於眾多天文台分散於全球各地（見附圖「全球協力」），並且包括某些網路連接不暢的站點，研究人員只能先分別記錄數據流，後期再做比較。

亞利桑那大學的天體物理學家Daniel Marrone說，「我們並不會在顯示屏上看到一張圖片。」 加拿大滑鐵盧大學的天體物理學家Avery Broderick說，這意味著EHT記錄數據的速度需要超過以往任何類型的所有實驗。其一夜的典型數據量將相當於坐落於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機一年實驗產生的數據量。

保存這些數據的成捆硬碟將被空運到兩個中心，交由計算機集群合并為一張圖片，此過程將耗時近6個月。只有在完成合并後，數據分析，即真正意義上的科學研究，才得以開始。在2018年之前，他們可能無法得出可公布的研究成果。

噴流獵手

天體物理學家對EHT的成果預期很高。他們尤其感興趣的是，或許一些數據可以解釋宇宙中最為壯麗的景象之一：某些超大質量黑洞以接近光速向星際空間噴射的巨大粒子噴流。其中某些黑洞——包括M87?，噴流長度甚至超過它們所在星系的跨度。但又不全是如此：如果Sgr A?也有射流，可能它們太小或者太微弱以至於至今沒有被發現。

科學家們甚至不清楚這些噴流的成分，但看上去它們在宇宙的演化中扮演著突出角色。特別是，通過加熱星際間物質，噴流可以防止物質冷卻形成星球，從而阻止星系的生長——Broderick點評說，「噴流主宰著星系命運」。

天體物理學家給出的最具可能的解釋是，它們是貼著黑洞高速扭轉的磁場產生的，但並不清楚其能量來源。上世紀70年代，Blandford及其同事給出了兩種可能的模型：其一，能量源於吸積盤；其二，能量源於黑洞本身的自旋（不一定要與吸積盤的旋轉同軸）。

2015年，Doeleman的小組報告了基於1.3毫米波長VLBI觀測，發現的Sgr A?黑洞周圍磁場結構的首個線索。結果暗示，相較吸積盤，更有可能是黑洞自旋為射流提供了能量源——Blandford介紹說，但即將臨近的實驗若集齊全力，應該可以給出更加確鑿的結論，並揭示Sgr A?到底有沒有射流。

在更為基礎的層面，觀察事件視界的大小和形狀，將能夠首次在超大質量黑洞周圍的極端空間驗證愛因斯坦的引力理論。這將跟進去年激光干涉引力波天文台LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）發布的歷史性發現，它捕獲到了體量接近大型恆星的黑洞融合時發出的引力波信號。它的發現被公認為給黑洞的存在提供了至今為止最為激動人心的證據，但它還沒有給出無可爭議的證據。而且，Broderick指出，超大質量黑洞大出百萬甚至上億倍，「我們在觀測一個我們不一定知道其物理規律的空間。」

甚至，EHT有可能在目標區域找到不同於黑洞的未知物體。理論學家給出了一系列不同的理論，來解釋當物質因為自重塌縮時可能會發生的情景。其中某些理論認為這並不會形成黑洞，因為引力導致的塌縮會在恆星殘骸越過「無法折返」的臨界點前停止。這有可能形成一種極其緻密的星球，而EHT或許可以探測到源自其堅硬表面的輻射。

但是安達盧西亞天體物理所（位於西班牙格拉納達）的天體物理學家Carlos Barceló認為，能找到這類天體實屬碰運氣，「我有些懷疑這次觀測能否分辨經典黑洞和更為奇異的天體。」他和其他一些人認為，或許LIGO更有機會驗證這些理論，比如通過捕捉兩個黑洞融合時產生的回波。

儘管如此，隨著VLBI天文站的改善，也許其性能可以提升到能夠幫助科學家們確認事件視界是否像廣義相對論預測的一樣對稱——歐洲空間研究與技術中心（位於荷蘭諾德韋克）的項目分析師Alexander Wittig說，「事件視界望遠鏡未來版本的解析度或將幫助我們辨別陰影中更加精細的特徵。」為了這個目標，Falcke已經開始夢想通過太空望遠鏡陣列組成比地球體積還要大的EHT。

然而目前對於天文學家來說，有一小簇像點可以讓他們首次一窺這些神秘難測的龐然大物，就能讓他們心滿意足。他們的腦海里盤旋著許多想像的圖像，大多數靈感來自科幻類書籍和電影，如《星際穿越》。「證明射電天文學家可以趕上好萊塢的步伐，給我們展示真實存在的黑洞圖片，」Blandford 說，「這個主意很奇妙。」

來源：Nature自然科研

國家空間科學中心微信公眾訂閱號（ID：nssc1958）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！