愛因斯坦的又一次勝利：黑洞首秀挑戰百年預言，科幻明星終成現實

1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過複雜的運算得出了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這一特殊的解表明如果把大量物質聚集於一點，質點的周圍的空間會產生一種奇異的界面，即「視界」，即使是宇宙中最快的光子亦無法逃逸。自此，黑洞的概念便橫空出世，並成為了此後100年科幻小說和電影中壟斷級的超級明星。

在電影《星際穿越》中，好萊塢第一次清晰地向世人描繪出了黑洞Gargantua的樣貌，奇點、吸積盤、視界一應俱全。但眾口難調，這種臆繪出的黑洞形貌顯然無法滿足富有獵奇心的大眾。

直至昨日（2019年4月10日北京時間21:00），得益於事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）項目，科學家們準時為人類展現出了第一幅黑洞的真正形貌圖像。

科學家們之所以耗費大量時間、大量資源來完成這項堪稱奇蹟的任務，就是想知道愛因斯坦廣義相對論究竟是不是對的，同時也可以觀察黑洞附近吸積盤和噴流的形貌和傳播。儘管圖像看起來似乎模糊不堪，但它是對愛因斯坦廣義相對論的一次意義非凡的挑戰，且事實證明：愛因斯坦沒錯。

黑洞是一類天體，佔據著一個特定的空間區域，其質量之大、體積之小，無比密集，甚至光都無法逃出其引力控制範圍。在墨水般烏黑的黑色背景下，對黑洞拍照幾乎是一項不可能完成的任務。

但是，得益於霍金開創性的研究工作，我們知道黑洞擁有的並不只無盡的深淵，其內部能夠發射大量的等離子體射流，並且將大量物體吸入其核心——奇點附近。

當被吸引的物質接近黑洞的事件視界（光線無法逃脫的臨界點），會形成一個高亮的圓盤（吸積盤），在這個盤內的物質間會彼此摩擦，將一部分能量通過摩擦作用轉化為熱能。

就像我們在冬天搓手取暖一樣，黑洞吸引的物質越接近奇點，摩擦力就越大，溫度也越高，發出耀眼的光芒，EHT檢測到的就是這種光。而當光線進入視界後，光子無法逃逸，所以圖片中的黑洞中心是黑色的本體，形成一個輪廓。

黑洞數據的分析和圖像的生成是一項非常艱巨的任務。往往天文學家們尋找一顆恆星都要費九牛二虎之力，更不用說看到以前根本不知存不存在的黑洞了。

EHT團隊將注意力放到了兩個位於銀河系中心的超大質量黑洞——M87和Sgr A*。科學家之所以不選擇距離更近的的恆星級黑洞，是因為後者在地球上觀測到的視界沒有M87這類超大型黑洞大。

雖然M87黑洞質量是太陽的65億倍，比海王星公轉軌道還要大（200年公轉周期），但距離地球為250,614,750,218,665,392公里。要想在地球上拍攝到其圖片，其難度相當於用望遠鏡在月球上找一個黑色的乒乓球。完成這項壯舉需要全球的通力合作，將地球變成一個巨大的望遠鏡，並對距地數千萬萬公里以外的物體進行成像。

由於沒有口徑那麼大的望遠鏡，科學家想到了將全球各地望遠鏡組成陣列，在讀數完全同步的前提下，捕獲黑洞的精確圖像。通過VLBI技術對全球8個不同地方的望遠鏡進行聯網，我們得到了一個口徑達1萬公里的望遠鏡，在VLBI技術相對成熟的射電波段之內，科學家們選擇了能量最高的區域——毫米和亞毫米波段。為了使分布在各個大洲的望遠鏡保持同步，原子鐘起到了至關重要的作用——每一億年誤差1秒。

值得注意的是，此處的有效口徑，其實取決於望遠鏡網路當中相距最遠的兩個望遠鏡之間的距離。2017年有8個亞毫米波望遠鏡加入了觀測，2018年北極圈之內格陵蘭島的亞毫米波望遠鏡也加入其中，基線長度進一步增加，也進一步改善瞭望遠鏡的解析度。

然而，儘管我們現在的亞毫米望遠鏡基線已經達到了1萬公里，但空間解析度剛達到黑洞視界面的尺寸，所以在科學家們觀測的有限區域內，就相當於只有有限的幾個像素。在《星際穿越》電影當中，天文學家基普·索恩設想的黑洞形象——包括吸積盤的許多具體細節——都通過技術手段呈現了出來，然而在真實的情況下，我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。

有了足夠「大」的望遠鏡，數據收集同樣令人難以置信。分別位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的六台望遠鏡共收集到超過10PB（=10240TB）的數據，必須存儲在數百個硬碟驅動器並實際傳送到超級計算機，進而糾正各地數據產生的時間差異並最終生成黑洞圖像。這一過程共耗費4年時間。

無論如何，當世界上第一張黑洞照片呈現在我們眼前時，最震撼的當屬100多年前愛因斯坦對今天M87結果的準確預測。此外，廣義相對論在過去幾年裡歷經兩次最嚴峻的考驗（雙黑洞合併引力波）而依舊堅挺，基本正確的描述了時間、空間和引力的本質。

由於黑洞外源發射出的光子波長較長，且望遠鏡陣列規模較小，所以此次黑洞首秀解析度較低，難以在這較短時間內清晰成像。希望未來能夠有更多的望遠鏡加入EHT陣列，以獲得神秘黑洞的更清晰的圖像。

毋庸置疑，在不久的將來我們將能夠真正凝視我們銀河系內的黑暗之心。

作者/朱張航宇

信息源：EHT、The Conversation

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