黑洞“电影”拍摄记

聂云

从2017年4月开始，历时两年，科学家于2019年4月10日成功拍摄并公布了第一张黑洞照片。两年之后，科学家打算更进一步拍摄第一部黑洞短片。可以想象，如果拍摄这么一张黑洞照片都那么难了，那么拍摄一部黑洞短片的难度又是多么地大。

超级计算机制作的短片

这次依然需要来自世界各地的科学家相互合作，而他们用来拍摄的设备依然是事件视界望远镜。事件视界望远镜并非是具体的、单独的一个望远镜，而是把世界各地11台先进的射电望远镜整合起来的虚拟望远镜。具体的拍摄制作流程大致如下：

首先，安置在世界各地的11台射电望远镜先排好顺序，然后依次观测目标黑洞。每台望远镜各自观测半天的时间，当转到地球的另一面之后，另一台恰好转过来、面对目标黑洞的望远镜会接手，继续观测下去。如此循环，直到每一台望远镜都参与其中。每台望远镜观测的起止时间和持续时间都由目前世界上最精确的原子钟来记录（原子钟每一千万年才产生1秒的误差）。

然后，科学家会把望远镜观测并记录的相关数据储存在容量超大的硬盘当中，把硬盘空运到有超级计算机的国家。有的人或许会提出疑问了，科学家为什么不直接把数据传输到那里呢？这是因为拍摄黑洞照片7天所产生的数据量就达5千万亿字节，相当于4万人一生自拍的照片量，而这样的数据量用目前的光纤可运输不了。比起黑洞照片，黑洞短片的数据量只会更多，所以相关的数据只能先存在硬盘里，然后再空运到目的地。

接下来，超级计算机会把数据先集中处理成一张张更清晰的照片。随后依照时间顺序把它们排列好。最后，就像把一帧一帧的图片合成电影那样，黑洞短片就制作出来了。

这看起来似乎难度不大，但是要拍摄这样的一部黑洞短片，不仅需要世界各地的科学家严格按照时间表来进行合作，还要花费很多的超级计算机计算资源。

既然如此麻烦，而且也已经有了照片，科学家为何还要大费力气来拍摄黑洞短片呢？

照片还不够清晰

黑洞目前是科学家发现的引力最大的天体，其引力大到光线也无法逃离。因此，研究黑洞就不能像研究其他天体那样，直接凭借它们向外辐射、然后抵达地球的光线来进行研究，科学家只能另寻他法。

尽管黑洞的引力巨大，但它的引力并非无限大。所以在离开黑洞一段距离的地方，被黑洞吸引的物质并不会被吞噬，而是围绕着黑洞旋转，形成所谓的吸积盘。吸积盘就类似于土星的圆环那样。由于吸积盘那里的引力远比不上黑洞的，所以这里的光线就能向外辐射，抵达地球。科学家主要就靠着吸积盘辐射出的光线，来对黑洞进行间接地研究。

另外，来自黑洞后方的星系会向外发射光线，途经黑洞。距离黑洞比较近的光线毫无疑问会被吸收，不过距离较远的光线只是会被强大的引力“折弯”，然后越过黑洞，继续前行。所以科学家不仅可以靠着吸积盘的光线，还可以利用黑洞后方星系被扭曲的光线来对黑洞进行研究。来自吸积盘的和黑洞背后星系的这两股光线在照片里会合成一股，也就是那明亮的光环。

电脑把图像组合成一部关于黑洞的电影

来自全球事件视界望远镜（EHT）网络的科学家们旨在拍摄银河系中心黑洞的视频片段。他们开发了一种方法，将观察到的图像和计算机生成的图像结合成电影。

但是，正如我们所见，照片里的光环非常模糊，其实就连科学家也从中得不到太多的信息。那么拍摄更高清的照片行不行？遗憾的是，黑洞距离我们地球过远，就像抵达我们视网膜的从远处照射而来的手电筒，加上大气层的削弱作用，我们只能观察到这样一个模糊的光环。在制造出更加先进的设备之前，无论我们重新给黑洞拍多少张照片，它们的区别都不会太大。与其用更多的资源来拍摄更多的照片，倒不如用它们来拍摄一部黑洞短片。而一部黑洞短片，哪怕较为模糊，也可以告诉科学家更多的信息。

黑洞短片能讲诉很多故事

照片与短片之间的区别，很大一点是一个是静止的，另一个则是动态的。单单看照片，科学家并不清楚吸积盘里的物质是怎么绕着黑洞运动的。但是如果有了短片，科学家就能观察和研究吸积盘的运动状态，甚至还能观察“时间”。

根据爱因斯坦的相对论，物体的运动速度越快，其时间也就越慢。围绕着黑洞旋转的吸积盘的转速虽然不是统一固定的，但可以预料得到，它们的转速都是非常快的。就拿黑洞照片里的M87星系的黑洞来说，根据科学家的观测和计算，它的体积是太阳的680万倍，而它的吸积盘最快只需4.8天就能完成一周的公转。

另外，时空也会受到黑洞那巨大引力的影响。在以接近光速运动、以及被巨大引力拉扯的情况下，物质是怎么运动的？时间又是怎么变化的？也只有短片才能告诉科学家更多的信息。而且短片也能反过来验证相对论的一些理论。

当然，黑洞短片能告诉我们的信息还有更多。它能帮助科学家探索黑洞的高速等离子喷射流是如何形成的，能告诉我们黑洞是如何成长的。在黑洞成长的过程中，吸积盘是会越来越近，然后越来越薄，還是越来越远，厚度不变，抑或其他的状态？而短片至少能对这些问题进行一定的解答。

接下来，我们只需等待黑洞短片的制成，看看它能给我们带来怎么样的惊喜。