宇宙黑洞千千萬，為何偏偏這兩個最好看？
有史以來第一次，黑洞的照片將展現在人類的眼前。
在很多人心目中，黑洞彷彿是浩瀚宇宙中通向另一個世界的神秘通道。2015年，導演克里斯托弗·諾蘭在《星際穿越》中展現的「卡岡圖雅」黑洞，似乎也將這一想像通過大銀幕進一步具象化。
《星際穿越》種展現的黑洞構想（圖自：NASA）
而在今晚，這個秘密或將被揭開一角。
據新華社報道，全球多國科研人員合作的「事件視界望遠鏡（EHT）」項目將於10日發布一項「開創性成果」，輿論普遍認為這將是人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。
作為一種質量極大的天體，黑洞具有非常強的引力，在它周圍的一定區域內，連光也無法逃逸出去。因此，這個邊界稱為「事件視界」，而這台巨大的、口徑相當於地球直徑的虛擬望遠鏡也因此而得名「事件視界望遠鏡（EHT）」。
該項目此前宣布，用這一虛擬望遠鏡「拍照」的重點對象是兩個黑洞，一個是位於銀河系中心的「人馬座A*」，另一個位於代號為M87的超巨橢圓星系中心，而這一拍攝工作早在2017年4月就已經宣布啟動。
為何偏偏拍攝這兩個黑洞
捕捉到它們的，分布在歐洲到南極的8台射電望遠鏡組成的EHT又究竟是一台怎樣的「神器」？
拍照僅十天，為何「P圖」要花兩年，科學家們到底通過何種手段，讓黑洞的全貌顯示在世人面前？
對於這些問題，果殼主筆兼天文領域達人、科學松鼠會成員Steed對紅星新聞給出了詳細的解讀。
問：為啥這倆黑洞「雀屏中選」，成為被拍攝對象？
多年來，Steed始終致力於天文領域的科普工作，其介紹天文發現、跟進深空探測最新進展的個人新浪微博(@Steed的圍脖)曾於2018年榮登人民日報十大科普自媒體榜單，而他本人拍攝的印尼日全食照片曾獲英國格林威治皇家天文台2016年度天文攝影大賽總冠軍，並獲得2016年度攝影師稱號。
他告訴紅星新聞記者，此次選擇這兩個黑洞作為「拍攝對象」的是它們的可操作性最強，也就是說——它是我們在地球上最有可能看清楚形狀的兩個黑洞。簡而言之就是，一個夠大，一個夠近。
「這兩個黑洞一個是銀河系中心的『人馬座A*』。此前根據對銀河系恆星長達十幾年運動的觀測，可以推斷出（銀河系）中間是有一個黑洞的，這個黑洞的質量大概是300到400萬倍於太陽質量。
對於黑洞來說，它的邊界，也就是所的『事件視界』仍然算是非常小的，所以正常情況下，這個黑洞基本上是超過地球上所有望遠鏡的分辨能力的。但是，相對於其他所有的黑洞來說，這個黑洞因為它本身在我們的銀河系內，是離我們最近，從我們地球上看起來應該是最大的一個黑洞。
美國宇航局錢德拉x射線天文台拍攝的人馬座A*的遠景。（圖自：NASA）
而第二個被拍攝的黑洞M87，則是另外一個星系中心的大黑洞，叫做室女座A，這個黑洞雖然距離我們稍微遠一些，約為5000萬光年，但這個黑洞要比我們銀河系中心的黑洞大很多，可以達到70億倍於太陽質量——相比而言，銀河系中心的黑洞只有這個黑洞M87的千分之一大小。所以，雖然它離我們稍微遠一些，但是從地球上看起來它的大小應該和銀河系中心的黑洞差不多。
因此，之所以選這兩個黑洞觀測，主要的原因就是它們地球上最容易看清楚的黑洞。」
問：黑洞這麼「黑」，茫茫宇宙中如何確定位它的身影？
所謂黑洞，它本身是可以吸收光線的，它可以把所有東西給吸進去。實際上，科學家其實以前就已經觀測到了非常多的這種黑洞。那麼為什麼可以觀測到這些黑洞呢？Steed表示，最實質的原因是，因為黑洞在活動。
「所謂活動就是說，眾所周知，因為黑洞的引力非常強大，所以它會把周圍的物質吞進去，但是本身黑洞又很小，所以物質不可能直接一靠近就被吞掉了。
這就像一個水槽一樣，你把下水的塞子打開之後，雖然這些水最終都會從從下水道裡面流出去，但是，因為下水道的口很小，所以水會先盤旋在下水道的口的周圍，盤旋一段時間後慢慢的才流下去。
同理到黑洞，在物質被黑洞吸附的這個過程中，這些周圍的物質會發生摩擦等情況，溫度非常高，這些周圍的物質就會發光。所以在X射線波段，或者可見光波段、射電波段，在各個天文學家所觀測的這些電磁波段，比如在觀測M87的黑洞的過程中，都能看到它是非常明亮的，因此可以非常準確的定位到它的位置。
而相比之下，『低調』的銀河系中心的黑洞，則是通過長時間的觀測，包括觀察恆星的一些運轉計算出來。因為銀河系越靠近中心的恆星運動，越是受到中心黑洞的影響，所以通過銀河系中心的恆星的運行軌跡，就可以算出它（銀河系中心黑洞）的位置在哪裡。」
問：當我們拍黑洞的時候，我們拍到的是黑洞本「洞」嗎？
曼徹斯特大學天文學家湯姆·穆克羅在2017年接受《衛報》採訪時表示:「準確地說，我們不會直接拍攝銀河系中心的黑洞。」
「我們實際上要給它的影子拍張照片。它的側影將在銀河系中心輻射的背景下滑動。這張照片將首次揭示黑洞的輪廓。」穆克羅表示。
而這種說法也被steed肯定。他表示，這次科學家公布的這個照片其實就是想要拍攝它的一個側影，或者說一個剪影。是因為黑洞其實本身，嚴格意義上來說，它不算是一個星球。
「我們印象中不管是太陽也好月球也好，它都是太空當中的一顆星球，是有大小、有表面的。但是黑洞不是一個實體，只是一個範圍，範圍就可能存在一個你看不到的邊界，過了這個界，所有東西都只能往裡掉，不能再出來，連光都不行。從這個角度來說，我們從黑洞的外面去看黑洞，假設一個黑洞它不活躍不發光，其實我們是沒有辦法看到它的。
但是兩種情況下，我們就可以看到它，一種情況是如果它周圍有一些物質在發光，比如說我剛才說的M87，它在吞噬一些物質，這些物質在黑洞周圍形成一個吸積盤，這些物質是會發光的。
那麼如果我們能夠看清楚的話，我們就可以看到在這團發光的東西當中有一團黑，這一團黑就是黑洞本身，或者說黑洞的邊界，因為所有的光線，即使是光線經過了它的邊界的話，也會被他吸進去，所以這個界限的以內是沒有任何光線發出來的——這個時候我們就可以在一團光中看到一個黑影。
另外一種方式就是，如果這個黑洞本身周圍沒有什麼發光的東西，它就是那兒做一個『安靜的黑洞』，那麼如果它的背後有恆星、星雲、星團的話，有其他的發光的背景在那裡，這就相當於比如說我們在房間裡面有一個黑的東西，它本身不發光，但是它背後有一面牆，這時候也可以看到本來是一面牆的地方中間出現了一團黑影 這個也是我們可以看到黑洞的另外一種方式。」
問：從歐洲到南極，8台望遠鏡排布如何確定？
實際上，對於觀測黑洞來說，解析度是一個核心問題，而解析度又和望遠鏡的口徑緊密相關。
對於距離人類遙遠且渺小的黑洞來說，普通望遠鏡觀測黑洞無疑向是「從地球上看月球上的一個橘子」一樣大海撈針，而觀測到黑洞需要的天文望遠鏡直徑可能要向地球的直徑一樣大小，但是人類顯然不可能將地球改造成一個觀測黑洞的超級望遠鏡。
也正因如此，分布全球8個地區的「事件視界望遠鏡（EHT）」應運而生了。
參與觀測的射電望遠鏡的排布位置示意圖，綠色點為此次參與觀測的8個望遠鏡（圖自：歐洲南方天文台）
「一個射電望遠鏡的解析度可能有限，但是如果我們能夠把多個望遠鏡協同起來一起觀測，這個時候決定解析度的就不是單個大小的望遠鏡的能力，而是它們加在一起的能力，如果我們能夠在地球的各個不同的地方找到這樣的射電望遠鏡，一起參與同時觀測這兩個黑洞，這個時候就可以得到一個相當於有地球大小的望遠鏡來觀測，我們在理論上就可以有機會看清楚黑洞的真容。
有了這個想法之後，科學家就要開始在地球上尋找符合規格和要求的望遠鏡，並對它們的位置進行衡量。這其中最重要的是，這些望遠鏡必須能夠同時來看這兩個黑洞，比如當我觀察銀河系中心這個黑洞的時候，所有參與這一項目的望遠鏡都要同時出現在這半個地球上——因為同一時間只有半個地球能夠同時朝著黑洞。
正是因為這個原因，此次射電望遠鏡的分布選擇基本上都在西半球，包括美國、智利、南極、太平洋夏威夷群島，這些望遠鏡連起來同時觀測，就可以類似模擬出一個地球這麼大的望遠鏡出來。
問：拍照10天整合兩年？科學家們究竟在用啥顯影？
據此前媒體報道稱，此次拍攝從2017年4月5日開始連續拍攝了5天，2018年4月也拍了5天，相當於一共拍了10天左右。而這次發布的結果很有可能是兩次觀測結果的疊加。
這意味著從最初開始拍攝到此次發布，科學家們已經花費了近兩年時間，那麼，這麼長的時間裡，他們究竟施了什麼顯影術，讓黑洞展現在我們的面前呢？Steed表示，這次對黑洞的拍攝，與我們想像中的按下快門，即刻獲得影像的單個鏡頭拍攝完全不同。
「這次拍攝並不是用單個的望遠鏡來拍攝，而是世界各地的8台望遠鏡來同時觀測。此前在一些觀測中，也可能也是多個相距幾十公里甚至上百公里的望遠鏡同時觀測。這種情況下因為它屬於同一個設施，這些望遠鏡之間會有光纖，或者其他信號的高速傳輸系統來聯動。那這個時候，它還有機會有可能比如說拍攝同時把所有望遠鏡的信息合併在了一起，成一個像出來。
但是，這次拍攝使用到的設備覆蓋到了世界各地不同地點，甚至不同型號不同規格的這種望遠鏡來觀測，所以每個望遠鏡第一產生的數據是不一樣的，第二，產生的數據量也是非常大的，它在一天的觀測時間裡可能會產生好幾個T的數據，這麼大量的數據沒有辦法同時匯總在一起並即刻進行分析。
所以現在的做法其實就是各自是觀測各自的，然後把所有的觀測數據全都記錄下來，包括確切的時間，然後再把同一時間的數據整合起來，放在一起，這本身就要花費大量時間。
然後再由這種超級計算機去分析這樣的數據。相當於後期把各個不同望遠鏡的成像或者說觀測，模擬成一個大的望遠鏡形成的一幅圖像，而且，這些數據的分析裡面還涉及到不同的望遠鏡本身會有一些誤差、本身硬體所固有的一些偏差等，這些東西都需要考慮在內，而且還要去和理論模型相匹配。最終經過大量的分析和處理才有可能會形成這樣的一個圖像。」
問：拍出首張「黑洞」照片，究竟意味著什麼？
2017年4月「事件視界望遠鏡」啟動拍照時，美國國家科學基金會主席科爾多瓦曾發表聲明說，這是「一項令人激動並具挑戰性的工作」，將有助於驗證一些最基本的物理學理論。而這一照片的最終也罕見的選擇了以全球六地同時召開新聞發布會的方式進行發布。
一向有點「高冷」的天文學界，為何選擇將此次發現成果直接面向公眾？「吃瓜」之餘，這張照片對於人類科學和未來究竟有何意義？Steed表示，對於物理學和天文學來說，這張黑洞照片最重要的意義就在於，在一種極端的條件下對於愛因斯坦廣義相對論預言的驗證。
「自始至終，黑洞這個概念雖然經常被天文學家提到，並用來解釋我們觀測到的很多現象，但是歸根到底，這些都只是愛因斯坦廣義相對論的一個預言。雖然我們現在也用它來解釋各種各樣的現象。但是，在今天之前，這張照片公布之前，沒有一個天文學家直接觀測到真的有黑洞這個東西。
當我們知道去判斷，鑒定一個理論是否正確的時候，我們可以做各種各的實驗去驗證它。但是最重要的一個實驗就是，我要把它放在一個極端的環境下去檢驗它。而對於廣義相對論這樣一個涉及引力的理論來說，最最極端的環境就是兩個，一個是宇宙大爆炸，那個時候距今已經太遙遠，我們無法回到過去；而另一個就是黑洞，尤其是大質量的大黑洞，這是我們現在仍然有機會觀測、來驗證廣義相對論的環境。
你想要驗證它就要看到它的圖像，哪怕今天公布出來的照片可能不是很清楚，只是影影約約看到一個模模糊糊的一團黑，但是有這個圖形，對於天體物理學家來說，這就是已經非常大的突破了。從這個圖像里其實可以來檢驗相對論在這麼極端的情況下它的預言是不是對的。因此，這個意義其實非常重大。
紅星新聞記者 翟佳琦
編輯 陳艷妮
TAG:紅星深度 |