第一张黑洞照片背后的隐秘

编译 乔琦

第一张黑洞照片，由事件视界望远镜拍摄，并于2019年4月正式向全球民众公布，这张黑洞照片实际上包含了一系列内嵌的环状结构

科学家提出了一项新技术，有了它，我们就能够看到黑洞照片中掩藏着的无数秘密了。

一年前，一个由射电天文学家组成的研究团队震撼了全世界。他们拍摄了第一张黑洞照片。照片上的黑洞就像托尔金小说《指环王》中的经典元素“索伦之眼”一样潜伏在遥远星系的中心。现在，我们发现这张照片背后的隐秘要比之前想象的更多。

把望远镜对准黑洞，你看到的景象可不只是因物质不断坠入其中而形成的吱吱作响的旋转末日甜甜圈。你还能看到整个宇宙。来自无数遥远恒星和星系的光线——在抵达我们的眼睛或望远镜前——像五朔节花柱周围的丝带一样一圈又一圈地萦绕在黑洞周围。

“这张黑洞照片实际上包含了一系列内嵌的环状结构，就像浴缸排水管周围的那些环一样。”在哈佛-史密森尼天体物理学研究中心任职的迈克尔·约翰逊（Michael Johnson）说。

这幅可视化图像向我们展示了第一张M87星系超大质量黑洞照片中的单个光子环

2020年3月号的《科学进展》（Science Advances）期刊上发表了一项研究。这项研究阐述了一种方法，有了它，我们的望远镜就能从各类黑洞“嘴”里撬出更多秘密。领导这项研究的正是约翰逊博士，他也是这篇论文的主要作者。

他和这篇论文的其他作者还是事件视界望远镜操控团队的成员。事件视界望远镜其实是分布于全球的射电望远镜网络，正是它拍摄得到了第一张黑洞照片。约翰逊等人操控的这架望远镜观察到了层层叠叠的环状结构，但因为分辨率不够没能把它们区分开来。因此，这些层叠的环状结构就模糊成了照片上的单一特征。

参与这个项目的科学家说，这项工作——尤其是在现存事件视界望远镜网络上增加一架空间射电望远镜——可以说为我们对黑洞性质的研究提供了新方法、新思路。

“以我的专业能力看，这篇论文简直棒极了！”同在哈佛-史密森尼天体物理学研究中心工作的另一位事件视界望远镜合作项目负责人谢普·多勒曼（Shep Doeleman）在一封电子邮件中如是说。

这篇论文的共同作者、哈佛大学理论天体物理学家安德鲁·斯特罗明格（Andrew Strominger）说：“著名历史观测资料中蕴藏着大量错综复杂的细节，研究它们的压力迫使我这样的理论天体物理学家以全新的方式看待黑洞。”黑洞是个永恒的无底洞，它们的质量大到足以吞噬光线。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的引力理论，尤其是广义相对论，预言了这种惹人生厌的天体的存在。爱因斯坦的理论把引力描述为质量和能量扭曲时空的结果。如果某处的质量（能量）过高，那么该处的时空就会无止境地塌陷下去。

爱因斯坦本人当时都觉得这实在是太疯狂了，但天文学家发现，宇宙中其实到处都是这些“末日生物”。目前看来，似乎所有星系中心都隐藏着一个质量相当于数百万甚至数十亿个太阳的超大质量黑洞。

所谓“事件视界”就是指黑洞“势力范围”的这样一种边界：一旦越过了这条边界，任何事物都会万劫不复地落入黑洞内部，永远不可能折回。以这个概念命名的“事件视界望远镜”由坐落于四大洲、六大山脉的八架射电天文台构成。一种叫作甚长基线干涉的技术将所有这些观测力量结合了起来，最终达到的分辨率相当于一架大小为整个地球的巨型望远镜。在2017年4月的10天里，这个团队把事件视界望远镜对准了室女座巨型星系M87的中心。那儿有一个质量相当于60亿个太阳的黑洞，正在猛烈喷发出无线电火焰。

就目前我们知道的情况来说，黑洞这种宇宙无底洞周围萦绕着的气体温度高达几十亿度。这些气体的合成图像体现的性质符合爱因斯坦理论的预言。事件视界望远镜所拍摄照片的一份副本已收入纽约现代艺术博物馆的永久摄影收藏中。

不过，多勒曼博士说，事件视界望远镜的工作才刚刚开始。首先，科学家想要给我们自己银河系中心的超大质量黑洞拍摄一部电影，原本计划在2020年夏天开展的一次尝试最近因为新冠疫情的肆虐而取消。

多勒曼博士说，如果他们能够在空间中增设一架射电观测天线从而扩大事件视界望远镜的观测口径，就能提升分辨率，达到可以看清单个光子环的要求。用科学家的话说，这样一来，事件视界望远镜就转变成了“一座足以检验最基础理论的真宇宙实验室”。

正如事件视界望远镜的另一位合作者、哈佛大学的彼得·加里森（Peter Galison）所说，等到能够窥见这些环的内部细节时，我们看到的其实就是来自整个可见宇宙的光线，一部起始于很远很远的过去的大电影。也就意味着，我们将会看到整个可见宇宙的历史。

约翰逊博士说，目前正在设计阶段的几架空间射电望远镜能够满足需求。一个是俄罗斯的毫米波天文台项目（M-光谱望远镜），乐观估计能够在2029年发射升空。另一个是起源空间望远镜，目前提交给美国宇航局的计划预定于2035年发射。

约翰逊博士称，天文学家现在尚无法把他们在去年拍摄的M87黑洞的质量估算误差缩小到10%以内，也不知道它的转动速度。在空间中布置射电观测天线后，他们就能看清环的内部结构，将对M87黑洞的质量估算误差缩小到1%以内，并且估算这个黑洞的转动速度。

他补充说，如果爱因斯坦没错，那么情况就应该是这样。以其他引力理论为指导，或是将爱因斯坦引力理论应用于其他类型的致密天体（虫洞、裸奇点、玻色子星），得到的环状结构都会大相径庭。

“所以，这是一种研究星系中心究竟隐藏着什么的新方法，它能得到我们运用更大尺度测量方法（比如测量恒星或气体的轨道）得不到的新内容。”约翰逊博士说。

资料来源 The New York Times