撰文：迪米特里奧斯·普薩爾蒂斯（Dimitrios Psaltis ） 謝潑德·S·德勒曼（Sheperd S. Doeleman）?
翻譯：趙光耀
審校：沈志強(qiáng)
本文作者迪米特里奧斯·普薩爾蒂斯是亞利桑那大學(xué)天文學(xué)和物理學(xué)教授。他率先通過(guò)觀測(cè)黑洞和中子星的電磁波譜，在強(qiáng)引力場(chǎng)條件下檢驗(yàn)廣義相對(duì)論；謝潑德·S·德勒曼是麻省理工學(xué)院與哈佛-史密森尼天體物理學(xué)中心的天文學(xué)家，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的協(xié)調(diào)人。
如圖中數(shù)值模擬結(jié)果顯示，落向黑洞的物質(zhì)應(yīng)會(huì)產(chǎn)生出能夠被用來(lái)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦引力理論的現(xiàn)象。
黑洞的內(nèi)部是無(wú)法觀測(cè)的。但是，這類天體周圍的引力場(chǎng)會(huì)使靠近視界的物質(zhì)發(fā)射出大量的、可被望遠(yuǎn)鏡捕獲的電磁輻射。在黑洞周圍，引力將落進(jìn)去的物質(zhì)壓縮到極小的體積內(nèi)，這使得下落物質(zhì)的溫度會(huì)達(dá)到數(shù)十億度，由此，反倒使得鄰近黑洞周邊的區(qū)域成為宇宙中最亮的地方。如果我們能夠用一個(gè)放大能力足以分辨視界的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)黑洞，就可以跟蹤物質(zhì)旋轉(zhuǎn)下落直至越過(guò)視界的全過(guò)程，并檢驗(yàn)這一過(guò)程是否與廣義相對(duì)論的預(yù)言一致。
當(dāng)然，要建成一個(gè)足以分辨黑洞視界的望遠(yuǎn)鏡會(huì)面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。一個(gè)顯著的問(wèn)題是，黑洞對(duì)于地球上的觀測(cè)者而言實(shí)在太小了。它們由于距離地球非常遙遠(yuǎn)，在天空中占據(jù)的角尺度也極小。不僅如此，我們到黑洞的視線還會(huì)因兩種不同原因而被遮擋。首先，星系中心氣體和塵埃組成的稠密云團(tuán)會(huì)封堵住大部分電磁波段。其次，我們想要探測(cè)的發(fā)光物體是由旋轉(zhuǎn)著落向視界的高度壓縮物質(zhì)組成的灼熱漩渦，這些物質(zhì)本身對(duì)大部分波長(zhǎng)的電磁輻射也是不透明的。因此，只有極狹窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能夠從黑洞邊緣逃離，被地球上的觀測(cè)者看到。
事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)國(guó)際合作來(lái)克服這些困難，對(duì)黑洞進(jìn)行細(xì)致的觀測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)在地球表面觀測(cè)所能達(dá)到的最高角分辨率，EHT采用了一項(xiàng)被稱為“甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量”（VLBI）的技術(shù)——天文學(xué)家利用位于地球不同位置的射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)分別記錄在硬盤上，之后再利用超級(jí)計(jì)算機(jī)整合這些數(shù)據(jù)，得到一張圖像。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，分布在地球上不同大洲的許多望遠(yuǎn)鏡組成了一架虛擬的、地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡，在射電波段對(duì)天空進(jìn)行高分辨率成像觀測(cè)，分辨能力遠(yuǎn)超所有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
全球范圍內(nèi)的至少9架射電望遠(yuǎn)鏡或干涉陣將參與組建事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。
與此同時(shí)，理論天體物理學(xué)家也通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和一些計(jì)算機(jī)模擬手段，對(duì)一系列可能的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了探討，并尋求方法來(lái)解釋結(jié)果。利用新的超級(jí)計(jì)算機(jī)算法，他們模擬了緊貼黑洞視界邊緣的物質(zhì)的擾動(dòng)。所有這些數(shù)值模擬的結(jié)果都顯示，黑洞會(huì)在吸積流發(fā)出的光上投下一片“陰影”。對(duì)于光線來(lái)說(shuō)，黑洞就像一個(gè)由光子軌道圈出來(lái)的不透明物體。光子軌道形成的亮環(huán)與在它以內(nèi)的黑暗區(qū)域間的鮮明對(duì)比就形成了“陰影”。
EHT現(xiàn)在已經(jīng)為觀測(cè)黑洞的“陰影”以及其他特征做好了準(zhǔn)備。未來(lái)，我們計(jì)劃利用遍布全球各地的完整射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行觀測(cè)，獲得的數(shù)據(jù)足可供我們構(gòu)建出黑洞的精細(xì)圖像。另一個(gè)同樣重要的觀測(cè)計(jì)劃將利用VLBI數(shù)據(jù)搜尋局部的活躍區(qū)域（“熱斑”），追蹤它們?cè)诤诙粗車@行的軌跡。因?yàn)閺V義相對(duì)論同時(shí)預(yù)言了黑洞的外觀和黑洞周圍物質(zhì)的繞轉(zhuǎn)方式，這些觀測(cè)將提供一系列難得的機(jī)會(huì)，讓我們可以在強(qiáng)引力條件下測(cè)試愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。在強(qiáng)引力場(chǎng)中，相對(duì)論預(yù)言的一些極端現(xiàn)象會(huì)變得更加明顯。
檢驗(yàn)宇宙審查假說(shuō)
EHT將幫助我們回答一個(gè)基本問(wèn)題：人馬座A*究竟是不是一個(gè)黑洞？目前所有能收集到的證據(jù)都支持肯定的答案。然而，還沒(méi)有人直接觀測(cè)黑洞，而且仍然有其他符合廣義相對(duì)論的可能性存在。例如，人馬座A*可能是一個(gè)所謂的裸奇點(diǎn)。
在黑洞中，視界將奇點(diǎn)與我們的宇宙隔絕開(kāi)來(lái)。然而，廣義相對(duì)論并不要求每一個(gè)奇點(diǎn)都被視界包裹。愛(ài)因斯坦方程組有無(wú)窮多個(gè)允許“裸”奇點(diǎn)存在的解。與黑洞不同，裸奇點(diǎn)目前仍僅存在于理論研究之中：尚沒(méi)有人建立起讓裸奇點(diǎn)在真實(shí)世界中形成的機(jī)制。當(dāng)前，所有符合天體物理學(xué)規(guī)律的、針對(duì)恒星引力塌縮所做的計(jì)算機(jī)模擬得出的結(jié)果都是有視界的黑洞。因此，羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）于1969年提出了宇宙審查假說(shuō)：自然界會(huì)以某種機(jī)制審查每一個(gè)奇點(diǎn)的裸性，使其總是包裹在視界之內(nèi)。
1991年9月，加州理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·普雷斯基（John Preskill）和基普·索恩（Kip Thorne）與劍橋大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）就宇宙審查假說(shuō)的正確性和裸奇點(diǎn)的存在打了個(gè)賭。二十幾年過(guò)去了，賭局仍然懸而未決，物理學(xué)家也熱切期待著一個(gè)能讓這場(chǎng)賭局分出勝負(fù)的實(shí)驗(yàn)。
尋找黑洞的“毛發(fā)”
我們還可以期待EHT對(duì)另一個(gè)長(zhǎng)期存在的觀點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，即黑洞無(wú)毛定理。如果無(wú)毛定理是錯(cuò)的，廣義相對(duì)論至少需要得到修正。
根據(jù)無(wú)毛定理，任意被視界包裹的黑洞都可以被三個(gè)物理量完整地描述：質(zhì)量、自旋和電荷。換言之，任意兩個(gè)黑洞，只要質(zhì)量、自旋和電荷都相等，那么這兩個(gè)黑洞應(yīng)該是完全一樣的，就像兩個(gè)電子一樣是不可區(qū)分的。根據(jù)該定理的描述，黑洞是沒(méi)有“毛發(fā)”的，沒(méi)有任何幾何上的不規(guī)則性或其他可區(qū)分的性質(zhì)。
最初考慮利用VLBI對(duì)黑洞進(jìn)行成像觀測(cè)的時(shí)候，我們認(rèn)為可以利用黑洞“陰影”的形狀及尺寸來(lái)了解黑洞的自轉(zhuǎn)速度及其自轉(zhuǎn)軸的方向。如果人馬座A*有一個(gè)視界，并且其“陰影”的大小或形狀與我們的預(yù)言有偏差，那么這就違背了無(wú)毛定理——進(jìn)而也違背了廣義相對(duì)論。
黑洞會(huì)在圍繞它的高溫物質(zhì)的輻射中留下一個(gè)陰影。如果觀測(cè)發(fā)現(xiàn)橢圓形的陰影，如圖b和c所示，那么愛(ài)因斯坦的理論就無(wú)法通過(guò)測(cè)試。
追蹤吸積流
EHT的觀測(cè)數(shù)據(jù)所提供的遠(yuǎn)不只是黑洞的圖像。每根天線都將記錄黑洞輻射的全部偏振信息，這些信息將為我們提供黑洞視界附近的磁場(chǎng)分布地圖，幫助我們了解自某些星系（如M87）中心發(fā)射出的強(qiáng)大噴流背后的物理機(jī)制。噴流由速度接近光速的極高能粒子束組成，其長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)千光年。天體物理學(xué)家相信，是超大質(zhì)量黑洞視界附近的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)著這些噴流，研究磁場(chǎng)的分布將有助于對(duì)這一假說(shuō)進(jìn)行驗(yàn)證。
計(jì)算機(jī)模擬顯示，吸積流中存在著局部的、短暫的磁活躍區(qū)域——“熱斑”，跟太陽(yáng)表面的磁暴類似。在某些情況下，當(dāng)熱斑運(yùn)動(dòng)到黑洞的背面時(shí)，它們會(huì)受到引力透鏡效應(yīng)影響而產(chǎn)生一個(gè)近乎完整的“愛(ài)因斯坦環(huán)”——一個(gè)被引力扭曲的明亮圓環(huán)。在其他情況下，熱斑在繞行黑洞一段時(shí)間后會(huì)因失去能量而消失。
熱斑的存在使得對(duì)黑洞成像的過(guò)程變得更為復(fù)雜，它的出現(xiàn)將使圖像變得模糊，就如同照相機(jī)的快門開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)拍到的短跑運(yùn)動(dòng)員照片會(huì)變得模糊一樣。然而，熱斑的存在又使我們能夠?qū)V義相對(duì)論進(jìn)行一項(xiàng)完全不同的測(cè)試。繞轉(zhuǎn)的熱斑將在望遠(yuǎn)鏡收集的原始數(shù)據(jù)上產(chǎn)生獨(dú)有的信號(hào)特征。與愛(ài)因斯坦方程組預(yù)測(cè)黑洞“陰影”的大小和形狀的情況幾乎一樣，這些方程同樣預(yù)言了所有我們需要知道的描述熱斑軌道的物理量。熱斑的理論模型可能有些過(guò)于簡(jiǎn)略，但完全狀態(tài)的EHT能在吸積流繞黑洞旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，對(duì)吸積流的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提供另一種方法，來(lái)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的預(yù)言在黑洞邊緣附近是否成立。
非凡的證據(jù)
如果我們的觀測(cè)結(jié)果與愛(ài)因斯坦的理論不一致會(huì)有什么后果呢？用卡爾·薩根（Carl Sagan）的名言來(lái)回答：非凡的主張需要非凡的證據(jù)。在自然科學(xué)領(lǐng)域，非凡的證據(jù)通常意味著利用獨(dú)立的方法對(duì)某個(gè)主張進(jìn)行一次或多次證明。在接下來(lái)的數(shù)年中，通過(guò)監(jiān)測(cè)超大質(zhì)量黑洞周圍的恒星、中子星（大質(zhì)量恒星引力塌縮后形成的極致密的微小天體）以及其他天體的軌道，強(qiáng)有力的光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡以及空間引力波探測(cè)器或許能提供這類證明。
為歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）和下一代30米級(jí)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而建造的光學(xué)干涉儀GRAVITY，將會(huì)追蹤銀河系中心人馬座A*視界附近恒星的軌道運(yùn)動(dòng)，這些恒星到黑洞視界的距離僅為視界半徑的幾百倍；正在南非和澳大利亞建造的射電干涉陣——平方千米天線陣（SKA）建成之后，將馬上開(kāi)始監(jiān)測(cè)該黑洞附近的脈沖星（快速旋轉(zhuǎn)的中子星）的軌道；改進(jìn)后的空間激光干涉天線（eLISA）也將探測(cè)近鄰星系中圍繞超大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)的致密天體所輻射出的引力波。
上述所有設(shè)備聯(lián)合起來(lái)，將幫助我們確認(rèn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論——特別是它關(guān)于黑洞的預(yù)言——是會(huì)毫發(fā)無(wú)損地再存在一個(gè)世紀(jì)，還是會(huì)被獻(xiàn)祭在科學(xué)進(jìn)步的祭壇上。
本文由《科學(xué)美國(guó)人》中文版《環(huán)球科學(xué)》供稿。
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