太空突破：人类捕获首张黑洞照片

编译 蔡立英

事件视界望远镜（EHT）捕获的首张黑洞照片

天文学家捕获首张黑洞照片，开启了人类对宇宙中最神秘天体的一场认知革命。

照片显示了一个由尘埃和气体构成的光环，勾勒出了一个巨大黑洞的轮廓，这个黑洞位于距离地球5 500万光年外的大质量星系M87中心。

什么是黑洞？

100多年前，爱因斯坦提出广义相对论，把引力视为由物质和能量造成的时空弯曲，最早预言了黑洞的存在。

爱因斯坦的广义相对论方程预言，当巨大的物质或能量浓缩到一个地方，时空会塌缩，就会留下一个黑洞，光和物质能进入其中却无法逃逸。

起初，科学家以为这是数学上的奇妙，而不是真实的天体，但是在过去100年，压倒性的证据证实了黑洞的存在。

黑洞的边界被定义为“事件视界”（event horizon），只有速度比光速更快的物体才能逃脱事件视界。据我们目前所知没有东西比光速更快，因此这是物体无法返回的界面。

尘埃和气体组成吸积盘，以接近光速的速度绕黑洞运动。很多黑洞吸积物质注定会湮灭，不过也有一些吸积物质会产生高能辐射喷流。

黑洞照片对我们认识黑洞有帮助吗？

黑洞本身是不可见的，像是一个宇宙暗门，光和物质都无法从中逃脱。但是，最新的天文观测手段首次把天文学家直接带到了黑洞的临界点，照亮了所有已知物理定律都无法逾越的事件视界。

这张突破性的黑洞照片由事件视界望远镜（EHT）捕获，这是由分布在南极、西班牙、智利等地的8个射电望远镜组成的网络，超过200位科学家参与其中。

EHT项目主任、哈佛大学高级研究员谢泼德·德勒曼（Sheperd Doeleman）表示：“黑洞是宇宙中的神秘天体，我们看见了以前我们以为不可见的黑洞，我们拍摄到了一张黑洞照片。”

美国国家科学基金会主席、天体物理学家弗朗斯·科尔多瓦（France Córdova）说，她只在她主持的新闻吹风会上见过这张照片亮相，就已经让她热泪盈眶。她说：“我们已经对黑洞研究了这么长时间，有时很容易忘记我们没有人曾见过黑洞照片，这张照片将在人们的记忆中留下深刻印迹。”

这张照片首次让人类直接窥见了黑洞吸积盘：由气体和尘埃构成的甜甜圈形状的模糊圆环，这些尘埃和气体正不断“喂养”圆环中的怪物。

EHT接收吸积盘内粒子发出的辐射，这些粒子在以接近光速的速度绕黑洞旋转时被加热到数十亿度，然后消失在黑洞中。

照片中的光环之所以呈现为新月状，是因为吸积盘向地球旋转的一侧的粒子更快地抛向我们，所以看起来更明亮。里面的黑影标志着事件视界的边界，也就是无法返回的界面，任何光或物质都无法以足够快的速度逃脱黑洞不可抗拒的引力，逃脱到事件视界之外。

黑洞最早由爱因斯坦的相对论所预言，尽管爱因斯坦本人也怀疑黑洞是否真实存在。从那以后，天文学家已经积累了压倒性的证据，包括最近探测到双黑洞碰撞产生的引力波，证明这些宇宙中的神秘天体确实存在。

但是，黑洞是如此小、黑暗，离我们又如此遥远，直接观测黑洞要求望远镜达到相当于看见月球上的百吉饼的分辨率。这曾经被认为是不可逾越的挑战。

而此次，EHT通过整合来自8个世界领先的射电望远镜的数据，包括智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜和南极望远镜，获得了必要的支持，创造出口径如地球大小的“虚拟”望远镜。

当2017年启动观测时，EHT有两个主要观测目标。第一个目标是位于银河系中心的人马座A*黑洞，其质量大约是400万倍的太阳质量。第二个目标就是此次捕获的首张黑洞照片的主角，位于星系M87的超大质量黑洞，已经有相当于60亿个太阳的光和物质消失在这个黑洞中。

EHT合作组织仍在致力于捕获银河系中心人马座 A*黑洞的照片。杜勒曼表示：“我们希望很快就能获得人马座 A*黑洞的照片。”

EHT项目的成功取决于若干地点的天空同时晴朗和8个各地团队的精诚合作。不同地点的观测利用氢原子钟进行协调，精准到每1亿年误差1秒以内。然后，在2017年4月的某个夜晚，万事俱备、水到渠成。“我们超级幸运，天气非常完美。”EHT合作组织成员、来自英国伦敦大学学院的齐里·扬斯（Ziri Younsi）说。

这些射电望远镜产生的海量数据是前所未有的。EHT项目一个晚上产生的数据就足以填满半吨硬盘。这就意味着要等半年之后才能拿到南极点的观测数据，因为只有等到南极的冬季结束，存储数据的硬盘才能通过海路运出。

这些观测结果已经让科学家对黑洞附近的奇异环境有了新的认识，那里的引力是如此强烈，以至于我们所知的现实已经扭曲得超出了我们的认知。

在事件视界上，光在黑洞周围弯曲成完美的圆圈，这意味着如果你站在那里，你就能看见自己的后脑勺。EHT观测还提供了迄今对爱因斯坦广义相对论最严格的验证之一：爱因斯坦的广义相对论预言，黑洞的光环是圆形，与EHT的观测结果一致。

关于黑洞喷流的起源，科学家希望了解更多，这些喷流从一些黑洞的两极以接近光速的速度喷出，可以形成明亮火柱，在广袤宇宙中呈现。

但是，这些观测结果尚未揭示黑洞高深莫测的内部结构。

扬斯说：“黑洞不是事件视界，而是隐蔽在事件视界内部的东西。黑洞可能是事件视界内部的什么东西，一个在表面之下盘旋的奇异天体，或者可能是事件视界中心的奇点……或者环形。此次观测还没有解释事件视界里面发生了什么。”

EHT科学委员会主席、来自荷兰拉德堡德大学的海诺·法尔克（Heino Falcke）说：“对我来说，最大的问题是，我们能否超越那个极限（黑洞的事件视界）。答案是：我们也许能也许不能。这令人沮丧，不过我们必须接受。”

给黑洞“洗照片”：开发关键算法的女博士

事件视界望远镜的观测方法称为干涉测量技术（interferometry），这有点像把卵石扔到池塘里激起涟漪，通过放置在池塘周边的探测器测量卵石激起的涟漪来重建卵石的结构。类似的，EHT要把来自8台望远镜的所有信号整合并输入到计算机中，再把海量的费解信号转变为视觉图像。

这就提出了前所未有的计算挑战：因为收集到的数据量是如此巨大，只能存储在硬盘中，然后统一运送到中心地点：麻省理工学院海斯塔克天文台，这些硬盘加起来足有半吨重。

开发全新的高级算法是把EHT观测数据变成图像的关键部分。这不仅需要整合数据，还需要过滤掉像大气湿度（大气湿度会导致电波弯曲）等因素产生的噪声，还要精确同步各地望远镜捕获的信号。

当计算机科学家凯蒂·布曼还是麻省理工学院的学生时，她就开发出了一种新算法，把EHT网络收集的观测数据拼接在一起。布曼继而领导了一系列精心测试，旨在确保EHT获得的黑洞照片不是某种技术故障或侥幸的结果。在某一个测试阶段，需要把合作组织拆分成4个独立的分析团队，各自独立分析数据，直到他们绝对确信各自的分析结果。

布曼说：“我们这个合作组织是集结了天文学家、物理学家、数学家和工程师的大熔炉，正因如此，我们才取得了过去认为不可能的成就。”