現(xiàn)場(chǎng)直擊

2019年4月10日，在美國(guó)華盛頓，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目（EHT）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)舉行新聞發(fā)布會(huì)，神秘天體黑洞首張照片發(fā)布，照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍，距離地球大約5500萬(wàn)光年。照片展示了一個(gè)中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，看上去有點(diǎn)像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。

除華盛頓外，中國(guó)上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾和日本東京等地也同時(shí)召開發(fā)布會(huì)。美國(guó)《天體物理學(xué)雜志通訊》以特刊形式通過(guò)6篇論文發(fā)表了這一重大成果。

事件回顧

自上世紀(jì)中期開始，人們就一直在探尋黑洞的秘密。200多年前，英國(guó)的米歇爾和法國(guó)的拉普拉斯就曾提出： 一個(gè)質(zhì)量足夠大但體積足夠小的恒星會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力，以致連光線都不能從其表面逃走，因此這顆星是完全“黑”的。

1915年，愛因斯坦在廣義相對(duì)論中最先預(yù)言了黑洞的存在。在他的推論中，黑洞是一種質(zhì)量巨大、引力極強(qiáng)的天體，可以吸收周圍一切外來(lái)物質(zhì)和輻射，連人類已知傳播速度最快的光都無(wú)法逃脫。理論上，黑洞無(wú)法被觀察，但黑洞的陰影——“事件視界”卻可以?？茖W(xué)家們將光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的區(qū)域稱作黑洞，將其邊界稱作事件視界。

2006年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目啟動(dòng)。2017年4月，來(lái)自全球30多個(gè)研究所的200多位科學(xué)家利用分布于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡（單鏡及陣列），正式開啟觀測(cè)人馬座A*和M87黑洞。

觀測(cè)黑洞實(shí)際上應(yīng)該僅用了5天左右，但由于觀測(cè)到的黑洞數(shù)據(jù)量巨大，世界各地的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，只能靠人帶著一千多個(gè)硬盤飛來(lái)飛去，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總之后再作分析，這耗費(fèi)了大量時(shí)間。

公開資料顯示，在2017年4月份的觀測(cè)中，每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit/s，8個(gè)臺(tái)站在5天觀測(cè)期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)（相當(dāng)于350萬(wàn)部電影）。EHT采用專用硬盤來(lái)記錄數(shù)據(jù)，再把硬盤送回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。之后，研究人員用超級(jí)計(jì)算機(jī)矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號(hào)相干的目的。由于在南極有極晝極夜現(xiàn)象，如果剛好遇到極晝現(xiàn)象，那至少會(huì)有半年時(shí)間飛機(jī)無(wú)法航行，就無(wú)法把參與EHT項(xiàng)目的“南極望遠(yuǎn)鏡”的數(shù)據(jù)運(yùn)輸出來(lái)。所以僅僅沖洗照片就花費(fèi)了兩年的時(shí)間。

探索未來(lái)

狂歡之后的深思

劉 霞

黑洞的故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束，狂歡之后，我們應(yīng)該明白，這幾個(gè)與黑洞有關(guān)的重要問(wèn)題仍懸而未決。

黑洞巨大的熱、快物質(zhì)噴流如何產(chǎn)生？

所有超大質(zhì)量黑洞都能吞噬附近物質(zhì)，吸收穿過(guò)黑洞事件視界的物質(zhì)，并以接近光速的速度將其余物質(zhì)噴射到太空中，天體物理學(xué)家稱之為“相對(duì)論性噴流”。比如，此次事件視界望遠(yuǎn)鏡的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的噴射而聲名顯赫，它噴射的物質(zhì)和輻射遍布整個(gè)太空。它的“相對(duì)論性噴流”如此龐大，以至于它們可以完全逃離周圍的星系。

物理學(xué)家知道這種情況是如何發(fā)生的：在物質(zhì)落入黑洞的引力井時(shí)，物質(zhì)被加速到極快速度，然后其中一些物質(zhì)“逃之夭夭”。但他們對(duì)這種情況發(fā)生的細(xì)節(jié)持不同意見，而最新“出爐”的這張圖像及相關(guān)文件尚未提供任何詳細(xì)信息。

要想弄清楚這些細(xì)節(jié)，需要將覆蓋相當(dāng)小范圍的事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)結(jié)果與更大的相對(duì)論性噴射圖像結(jié)合在一起考慮。而且，隨著位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的圖像問(wèn)世，我們可能會(huì)獲得不少答案。因?yàn)殂y河系中心超大質(zhì)量黑洞不像M87星系中心黑洞那樣產(chǎn)生噴流，所以，比較兩張圖像可能會(huì)厘清一些問(wèn)題。

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)如何統(tǒng)一？

每當(dāng)物理學(xué)家聚在一起談?wù)撘粋€(gè)真正令人激動(dòng)的新發(fā)現(xiàn)時(shí)，可能都會(huì)有人說(shuō)：這一新發(fā)現(xiàn)或許有助于解釋“量子引力”。量子引力是物理學(xué)領(lǐng)域最大的未解之謎，是物理學(xué)江湖中的屠龍刀——得之可得天下。

大約一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家使用兩套不同的規(guī)則來(lái)解釋萬(wàn)事萬(wàn)物：他們用廣義相對(duì)論來(lái)解釋諸如引力這樣的大事;用量子理論來(lái)解釋非常小的事物。問(wèn)題是，這兩套規(guī)則難以統(tǒng)一。因?yàn)榱孔恿W(xué)無(wú)法解釋引力;而相對(duì)論無(wú)法解釋量子行為。

那萬(wàn)有引力和量子理論彼此之間就真的“水火不容”嗎？物理學(xué)家們并不這樣想，他們希望未來(lái)有一天，創(chuàng)建出一個(gè)大一統(tǒng)理論，將這兩者囊括其中，而這個(gè)未問(wèn)世的大一統(tǒng)理論可能涉及某種量子引力。

在首張黑洞圖像宣布之前，有科學(xué)家猜測(cè)，它可能會(huì)在此問(wèn)題上取得些許突破。

但新圖像并沒有提供可能縮小兩個(gè)領(lǐng)域之間差距的新物理學(xué)。人們希望從新圖像中獲得答案這一想法合情合理，因?yàn)楹诙搓幱暗倪吘墝⒁胛⑿〉牧孔涌臻g。我們有望在非常非常接近事件視界的地方，或者在宇宙非常非常早期之時(shí)，看到量子引力。

霍金的理論和愛因斯坦的理論一樣正確嗎？

在物理學(xué)家職業(yè)生涯的早期，斯蒂芬·霍金對(duì)物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)是“霍金輻射”理論。該理論認(rèn)為，黑洞實(shí)際上不是黑色的，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)發(fā)出少量輻射。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗砻?，一旦黑洞停止生長(zhǎng)，它將開始因?yàn)槟芰繐p失而非常緩慢地收縮。

事件視界望遠(yuǎn)鏡沒有證實(shí)或否認(rèn)這一理論。像M87星系中心黑洞那樣的巨型黑洞，與其龐大的體型相比，其發(fā)出的霍金輻射可謂“九牛一毛”。雖然我們目前所擁有的最先進(jìn)的設(shè)備可以探測(cè)到這些黑洞事件視界的明亮光線，但幾乎無(wú)法看清超大質(zhì)量黑洞表面的超暗閃光，因此，也很難發(fā)現(xiàn)其輻射。

最微小的黑洞可能是獲得這一答案的關(guān)鍵。這些最微小黑洞是一些“短命”的天體，其體型小到你可將其整個(gè)事件視界握在手中。而且，與這種微小黑洞的體型相比，其輻射相對(duì)較多。

人類最終有可能會(huì)弄清楚如何制造或找到一個(gè)這樣的黑洞并且檢測(cè)到其輻射，從而驗(yàn)證霍金理論的正確性。

黑洞恍如一位遁世的隱者，身上背負(fù)著諸多有關(guān)宇宙的奧秘，在驚鴻一瞥后，對(duì)其進(jìn)行深入研究，將揭示更多秘密，讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。

（選自《科技日?qǐng)?bào)》2019年4月12日）

相關(guān)鏈接

捕獲首張黑洞照片的事件視界望遠(yuǎn)鏡有何特殊之處？

這些望遠(yuǎn)鏡都是在亞毫米波波段，通常需要在海拔比較高的地方來(lái)減少大氣中水氣對(duì)于亞毫米光子的影響。比如說(shuō)位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡的海拔就有5000多米，這些分布于全球不同地方的望遠(yuǎn)鏡通過(guò)所謂的甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)（VLBI）連成一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了一個(gè)口徑達(dá)到一萬(wàn)公里的望遠(yuǎn)鏡，VLBI技術(shù)是實(shí)現(xiàn)成像觀測(cè)的關(guān)鍵。

給黑洞拍照時(shí)，我們?cè)谂男┦裁矗?/p>

黑洞本身不發(fā)光，但是黑洞周圍通常都會(huì)有一個(gè)吸積盤，吸積盤有比較強(qiáng)的輻射或者說(shuō)它是發(fā)光的，所以在明亮吸積盤的襯托之下，黑洞就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)所謂的黑洞陰影。這次的觀測(cè)就是通過(guò)觀測(cè)黑洞本身及其臨近區(qū)域，看到黑洞的陰影。

黑洞吸進(jìn)去的東西都去哪里了？

在被吞噬的過(guò)程當(dāng)中，物質(zhì)首先會(huì)被撕裂成一些最基本的粒子，然后很可能在黑洞的內(nèi)部又進(jìn)一步發(fā)生其他的物態(tài)變化，具體會(huì)發(fā)生什么，我們并不是特別清楚。經(jīng)典的理論認(rèn)為，掉到黑洞里的物質(zhì)都會(huì)朝著中心的奇點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，最后會(huì)聚集在那里。隨著聚集的物質(zhì)越來(lái)越多，質(zhì)量也會(huì)變得越來(lái)越大，黑洞的半徑也會(huì)變得越來(lái)越大。

拓展閱讀

當(dāng)全世界同望星空，黑洞也“發(fā)光”

郭 爽

觀測(cè)黑洞項(xiàng)目，讓地球上幾乎所有這一領(lǐng)域的研究人員都不同程度地以不同方式參與其中?？茖W(xué)探索，正讓整個(gè)世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起，不僅讓地球，也讓人類成為一個(gè)共同體。

無(wú)論是對(duì)黑洞概念懵懵懂懂的早期天文學(xué)家、發(fā)表廣義相對(duì)論的愛因斯坦、獲得黑洞存在證據(jù)的引力波項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，還是今天共同拍攝黑洞照片的各國(guó)科研人員，讓人類持續(xù)探索并不斷取得進(jìn)步的動(dòng)力之一，正是人類作為一個(gè)共同體對(duì)宇宙和自身的好奇心。

探索未知，是人類拓展自身疆界的重要過(guò)程。天文學(xué)的進(jìn)步，也同時(shí)推動(dòng)數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科并肩前行。而只有多領(lǐng)域、多學(xué)科并行發(fā)展，更大尺度地拓展國(guó)際合作范圍，更深入地探索國(guó)際合作模式，人類探索未知的視野才可能變得更加開闊。

無(wú)論仰望星空，還是審視自己，當(dāng)?shù)厍蛏系娜藗內(nèi)w凝視同一方向，如同黑洞這樣曾經(jīng)深藏不露的未知，也終將一個(gè)接一個(gè)“顯露光芒”。

（選自“新華網(wǎng)”2019年4月10日）