人類第一次給黑洞拍了照片 這件事為什麼這麼難？

4月5日開始，一個國際合作的天文項目「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope，EHT）開始對兩個特殊的天體進行觀測：距離地球 25000 光年，位於銀河系核心人馬座 A，以及距離地球 5300 萬光年的 M87 室女座星雲。觀測的目標不是常規的天體，而是兩個疑似的超大質量黑洞。「事件視界望遠鏡」的觀測將讓人類第一次看到黑洞的真實樣子。

在現有的宇宙學理論中，黑洞應該是最奇怪的天體之一了：引力密度高到光都不能逃脫，一切物理定律在黑洞內部都會失效。因為引力密度極高，物質在落入黑洞的時候會激發出大量熱量和 X 射線輻射，所以黑洞雖然在可見光波段完全不可見，但在 X 射線天文觀測里卻像燈塔一樣明亮。同時，引力把黑洞變成了一種非常簡單，簡單到接近數學模型的天體，只需要質量、電荷、自轉三個參數就可以描述。

那麼「事件視界望遠鏡」這個名字里的「事件視界」（Event Horizon）是什麼意思？

上：黑洞和積吸盤的藝術想像圖/Wikipedia

下：哈勃太空望遠鏡拍下的 NGC 4261 黑洞周圍的積吸盤/NASA

在「事件視界望遠鏡」之前，天文學觀測已經看到了黑洞的一些邊緣證據，比如物質落入黑洞時，因為摩擦和引力作用形成的高熱積吸盤，就像馬桶放水時旋轉的漩渦，這個漩渦可能比黑洞本身要大得多。但物質什麼時候算是正式落入黑洞了呢？現在的天文學研究認為，黑洞擁有一個邊界，只要跨過這個邊界，正常宇宙的一切定律，包括時間和空間在內都會失效，任何物質和信息都不能回頭。這個邊界就是「事件視界」。

但是同時，處在遠方的觀察者，比如人類，是無法看到物質跨過「事件視界」的：黑洞內部的空間結構和正常宇宙完全不同，與其說物質是因為強大的引力不能逃脫，更準確的理解應該是，黑洞內部的空間完全扭曲，所有的方向都指向黑洞內部，空間將和時間一樣變成單向的。按照廣義相對論的描述，理論上只能看到物質以越來越慢的速度靠近黑洞，最終無限趨於靜止。

「事件視界望遠鏡」就是科學家不滿足只看到積吸盤和輻射，想要看到黑洞本身，也就是「事件視界」附近而設計的。

但要特別注意的是，「事件視界望遠鏡」不是一個單獨的望遠鏡，而是分布在全球的八個觀測站組成的網路。之所以需要利用分布在西班牙、夏威夷、南極等幾乎覆蓋整個地球表面的觀測站，是因為人馬座 A 超大質量黑洞太遠了。目前推測的數據顯示，這個超大質量黑洞大約具有 400 萬個太陽質量，可以計算出它的史瓦西半徑，也就是黑洞的「直徑」大約是 2400 萬公里，也就是 17 個太陽的大小。

「事件視界望遠鏡」的全球觀測網路/Nature

但在 25000 光年，也就是 24 億億公里的距離下，17 個太陽直徑也只是分辨不出任何細節的一個點而已。按照美國馬薩諸塞州阿姆赫斯特大學的天文學教授 Gopal Narayanan 的比喻，這大概相當於在地球上看月球上的一個葡萄柚。所以，利用地球上八個觀測站組成網路，就可以利用干涉技術一起觀測，最終產生可見的數據。

另外，這八個觀測站接收的不是人眼可見的可見光，它們都是毫米波段的射電望遠鏡，也就是可以接收 1.3mm 波長電磁波的大天線。

「事件視界望遠鏡」的主要觀測站，位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）/Wikipedia

從 4 月 5 日起，「事件視界望遠鏡」將在天氣允許的情況下對兩個目標進行大約 10 天的觀測。但在觀測結束之後，黑洞的照片可能需要幾個月的處理之後才能看到：望遠鏡們每天晚上接收到的數據可能會超過 2000 TB，科學家們會在觀測技術之後把存著數據的硬碟打包運到位於德國和美國的兩個數據中心，利用超級計算機計算數個月，才能得到一張黑洞的「照片」。

黑洞看起來會是什麼樣？因為非常特殊和神秘，黑洞不僅在天文學中是最引人注目的課題之一，在流行文化里也是熱門話題。2014 年上映的美國科幻電影《星際穿越》（Interstellar）可能創造了目前細節最豐富，最接近科學真相的黑洞圖像。

《星際穿越》中的黑洞模型

在加州理工學院理論物理學家基普·索恩（Kip Stephen Thorne）的帶領下，《星際穿越》影片給一顆名為卡岡圖雅（Gargantua）的虛構黑洞構建了非常震撼的黑洞圖像：黑洞本身是一個旋轉著的黑色球體，明亮的積吸盤圍繞著它的赤道位置。但因為黑洞強大的引力彎曲了空間，積吸盤的被扭曲成了環形，出現在黑洞的上下左右所有方向，讓黑洞看起來就像是一個發光的陀螺。

「事件視界望遠鏡」最終看到的畫面可能是什麼樣子的？滑鐵盧大學的模擬顯示，因為黑洞正在旋轉，多普勒效應可能會讓這張照片看起來像一個一邊亮一邊暗的漩渦。

?「事件視界望遠鏡」最終可能看到的圖像/Nature

一切順利的話，大約在 2018 上半年「事件視界望遠鏡」計劃會公布最終的圖像。對於天文學和物理學來說，「事件視界望遠鏡」可以最終確認黑洞存在的證據，補完愛因斯坦的廣義相對論，發現恆星和星系演化的秘密。

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