黑洞照片对于黑洞物理学家意味着什么？

编译 思羽

在这个历史性时刻，整个世界都暂停下来，欣赏人类拍下的首张黑洞照片。黑洞是已知宇宙中最怪异的现象，是广义相对论留下的非凡遗产。让我感动的不仅仅是照片本身；让我深深感动的，是与全球陌生人分享这段经历的意义。让我感动的，是一个种族注视一个隐约出现在太空中、令人好奇的空洞照片的画面。

我正在华盛顿的全国新闻记者俱乐部，这儿已经一片激动。事件视界望远镜（EHT）项目的科学家多年以来追求的是拍摄超大质量黑洞的首张照片，于是当他们今天召开新闻发布会，将记者和科学家聚在一起时，我们在这里能看见什么已经没有多少疑问。

然而，还有令人惊异之处。

站在讲坛上的是事件视界望远镜项目的主任谢泼德·德勒曼（Sheperd Doeleman）。他对我们的欢迎辞是“黑洞爱好者”，让我想起自己和谢泼德站在麻省理工学院的空教室内的黑板前，我的有趣朋友谢泼德有着一头显眼又滑稽的头发，发色像烤过的桃花心木。那时粉笔灰落在我们身上，我俩学到了爱因斯坦相对论的难学的数学知识。

我们已知晓相对论的标准说法：所有形式的物质和能量让空间和时间弯曲，光和物质沿着那些曲线移动。这些文字必须凭借信任而接受，但我们能学习它们背后的数学原理。当爱因斯坦构想出相对论时，他交给我们一份在全球范围内彼此相传的礼物。相对论与它的字面意义不同，对于我们所有人都是真实的。

我对麻省理工学院里的那面黑板的记忆栩栩如生，这也许是因为那一刻定义了我习得相对论之前和之后的分界。现在我无法想象我的头脑缺少相对论后会是怎样。相对论弥散在我的思维中，于是我用相对论来思考，就像作家用他们的自然语言来思考。从在麻省理工学院的那一次交流起，谢泼德和我依靠相对论发现了我们通向黑洞（相对论做出的最引人注目的预测）之路。

人们认为：黑洞是思想实验的结果，是奇异的想象。想象物质被挤压成点，不要问如何挤压的，只需想象该情景。第一次世界大战时，卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschid）加入德国陆军期间，发现了爱因斯坦相对论的这个可能解答，他可能是在俄国前线的战壕里计算弹道的间隙做出这个发现。施瓦西推论出，时空实际上会朝着挤压中心跌落，甚至连以绝对速度奔驰的光也被拽下黑洞，在天空中形成阴影。那个阴影就是事件视界，是外部世界与任何已经坠入黑洞的东西之间的明显分界线。

爱因斯坦认为，大自然会保护我们，避免形成黑洞。恰恰相反，大自然让黑洞数目充裕。当一颗衰亡中的恒星质量够重时，引力克服物质固有的阻力，导致恒星灾难性地坍缩。事件视界作为考古记录而留下来，而恒星的物质继续坠入黑洞，迎接未知的宿命。我们所在的银河系可能有数十亿个黑洞。

超大质量黑洞的质量是太阳质量的数百万倍、甚至是数十亿倍。几乎所有星系的中心都是这样的超大质量黑洞，然而还没人知道它们是如何形成的，也不知道它们如何变得这么重。也许它们形成于合并的死亡恒星，从而尺寸增大；也许它们是在一个更年轻的宇宙，由更原始的物质直接坍缩形成。无论它们是如何形成的，宇宙中的超大质量黑洞和星系数量一样多，在人类观测到的宇宙中有数千亿个超大质量黑洞。

在今天之前，我们从未见过黑洞，没有望远镜拍摄的黑洞照片。当黑洞吞噬伴星（companion star）、在扭曲的磁场中为含能射流（energetic jet）提供能量、捕捉轨道中的恒星时，我们从中间接推断出黑洞的存在。我们甚至已经听到黑洞碰撞与合并的声音，它们就像木槌落到鼓上一样让时空鸣响。

我们以前从未直接拍摄黑洞的照片，因为，尽管黑洞有破坏和毁灭武器的响亮名气，尺寸却很小。与太阳一样重的黑洞拥有直径仅6 000米的事件视界。相比之下，太阳的宽度达到1 400万千米。银河系中心的超大质量黑洞被称为“人马座A*”，它的质量是太阳的400万倍，但宽度大约只是太阳的17倍。

考虑一下这个挑战：隔着26 000光年的距离，捕捉到宽度仅是普通恒星17倍的完全漆黑物体的画像。分辨一张人马座A*的图像，难度与分辨月球上1块水果的图像相当。

为了分辨这样极小的图像，需要整个地球大小的望远镜。从在麻省理工学院那间落满粉笔灰的教室里待过的那段日子起，我的这位完全不循规蹈矩的好友已经打定主意，要捕捉到超大质量黑洞的图像。

我们还在研究生院学习时，谢泼德的头发就是他头脑的象征：无拘无束、生机勃勃。我羡慕他思维方式中的自由，他总是能出人意料地将知识连贯起来，有时以必修课为代价。他的惊愕眼神会提醒我，一个疯狂的点子在那一刻蹦入他的脑海。

事件视界望远镜项目是对大胆想法、科学创新与合作的证明。该项目利用全球的大型射电望远镜，依赖最新、最尖端的天文台，恢复一些荒废的设施，最终成为一台地球大小的合成望远镜。随着地球自转和公转，目标黑洞进入合成望远镜的视野。为了得出精确的图像，全球的众多望远镜需要统一操作，这牵涉到敏感的时间校正，那样才会有如地球大小的镜头观测黑洞。

结合多个望远镜、获得更好的分辨率是谢泼德在20世纪90年代的博士论文的基础。到2008年时，他领导一支小团队，对尺寸上能与超大质量黑洞相比的天体结构实现成像。这次概念验证推动了EHT项目，项目团队如今确信外界要求的分辨率触手可及。此后的10年里，EHT必须应对数据处理提出的挑战，从技术上获得进步，而谢泼德把功劳归于国际团队的毅力和集体贡献的聪明。

超大质量黑洞人马座A*成为显而易见的追踪目标。尽管各星系的超大质量黑洞数量丰富，但所有其他超大质量黑洞都太过遥远，甚至用地球尺寸的望远镜也无法分辨。只有一个例外。M87星系是与地球相距5 500万光年的巨大椭圆星系，我们知道该星系中有一个令人惊叹的超大质量黑洞，它的质量大概在太阳质量的35亿到72亿倍之间。假如它的质量在估测范围较小的那头，M87星系黑洞不可能成为EHT的目标；假如在估测范围较大的那头，它可能适合。于是，在对人马座A*的激烈追踪中，M87成为第二观测目标。

虚无太空的黑色背景中的黑洞的确看不见。人马座A*和M87的事件视界的近旁有热盘（hot disk）作轨道运行，被卷入其中的碎屑有助于让黑洞显现。来自于发光轨道物质的光线沿着弯曲空间弯曲，使黑洞后面的光重新射向我们。热盘似乎围绕着黑洞，形成明亮对比，让它的阴影清晰可见。

EHT实际上观测到的是比事件视界本身稍大的区域。这片区域由最靠近黑洞的位置来定义，光束在这片区域的圆上运行，被称为“最后的光子轨道”。

黑洞理论家、黑洞观测家、记者和朋友会聚一堂，分享一张我们早已想象的照片并激动庆祝。但听到他们宣布说：他们看见的不是人马座A*，它不是我们要看的黑洞，而是M87时，我们还是大吃一惊。

图像不会弄错；与我们太阳系同样大小的暗影被一块美丽的亮斑包围。

尽管照片的科学含义需要时间来展现，一些人类学的冲击是即刻发生的。EHT收集的来自M87的光在5 500万年前就朝着地球而来。在那千万年里，人类出现在地球上，伴随着人类的神话、各种文化、思想体系、语言和不同信仰。看着M87星系黑洞时，我不禁想起，科学发现超越了这些差异。我们都生活在同一片天空下，我们所有人都生活在这颗淡蓝色星球上，飘浮在太阳系中这片天体稀疏的区域中，处在黄色太阳的暖意下，位于稀疏的星辰之海里，位于绕着星系中心的超大质量黑洞的轨道上。

当谢泼德被人问起，他第一次看见M87星系黑洞照片的那一刻在想些什么，他答道：“我们看见了一些如此真实的东西。”这句话对我们所有人来说都是真实的。