在黑洞第一張照片面世的新聞發(fā)布會上，有記者這樣向研究組的成員提問：
終于得到黑洞的第一張照片的時候，你們是什么感受，有沒有開Party，有沒有激動得熱淚盈眶？
“我真的流淚了。”
“說實話，有點震驚。我們可能會見到模糊的東西，我們的確見到了。我們可能會看到之前沒有預(yù)料到的東西……但是沒有任何超出意料的東西。“
畢竟，我們已經(jīng)在心目中，將黑洞描繪了將近100年。
太長不看：
人類史上第一次看見了黑洞存在的直接證據(jù)；
此次觀測又雙叒叕地證明了愛因斯坦一百多年前提出的廣義相對論；
黑洞學(xué)說剛開始飽受質(zhì)疑，隨著一系列天文觀測證據(jù)的出現(xiàn)，其事實基礎(chǔ)逐漸堅實；
真實的黑洞長啥樣？《星際穿越》只猜對了一半；
全球八臺望遠(yuǎn)鏡共同合作一起給黑洞拍了張照。
圖 | DeluceArt
100年前的1919年，愛丁頓遠(yuǎn)征西非觀測日全食，驗證了愛因斯坦的預(yù)言：質(zhì)量確實可以令時空彎曲。
52年前的1967年，惠勒第一次提出“黑洞”一詞，用以指稱一種只在理論上存在的、極端致密、令時空無限彎曲的天體。
2019年4月10日，我們終于親眼目睹黑洞存在的直接證據(jù)：橫跨地球直徑的8臺望遠(yuǎn)鏡強強聯(lián)手，組成史詩般的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，奉上了人類的第一張黑洞照片——
EHT拍到的M87中心黑洞照片 | EHT
一個世紀(jì)的求索，我們終于等到了今天。
輕舟既過萬重山，猶憶往昔崢嶸歲月稠。
——現(xiàn)在請讓我們一同回顧，這張必將載入史冊的珍貴影像，經(jīng)歷了怎樣漫長的百年醞釀。
愛因斯坦叕對了
1915年，愛因斯坦用他天才的物理直覺，提出廣義相對論，顛覆了人類對時空本質(zhì)的認(rèn)知。
我們可以借惠勒之言概括廣義相對論的精髓：“時空決定物質(zhì)如何運動，物質(zhì)決定時空如何彎曲。”
宇宙萬物，原本被認(rèn)為只是廣袤時空舞臺上的演員，在廣義相對論的世界里，卻成為舞臺本身的建構(gòu)師。
廣義相對論給出很多重要的預(yù)言，其中很多在剛問世時，都顯得過分光怪陸離，讓人不敢相信。
然而100年來，這些預(yù)言逐一獲得實驗和觀測的證實，讓愛因斯坦取得物理學(xué)史中至高無上的地位：
1
廣義相對論預(yù)言，大質(zhì)量天體會讓周圍的時空發(fā)生顯著彎曲，背景星光行經(jīng)此處，會隨著時空的彎曲而被偏折。
1919年，英國天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓和同事，分別率領(lǐng)一支遠(yuǎn)征隊趕赴巴西和西非，利用日全食的寶貴時機，測量太陽附近恒星的位置——對比星圖，他們發(fā)現(xiàn)這些恒星的位置似乎稍微遠(yuǎn)離了日面，而且遠(yuǎn)離的幅度符合廣義相對論的預(yù)言。
1919年驗證廣義相對論預(yù)言的日全食 | Royal Astronomical Society
這是愛因斯坦提出廣義相對論之后，第一個專門為驗證廣義相對論預(yù)言而實施的重要觀測。結(jié)果一出，立刻讓愛因斯坦名聲大噪。
當(dāng)天體質(zhì)量更大、彎曲星光的效應(yīng)更明顯，中間的大質(zhì)量天體就仿佛一個匯聚光線的凸透鏡，讓背景光源呈現(xiàn)扭曲、放大的多個虛像。廣義相對論預(yù)言的這種現(xiàn)象，被稱為“引力透鏡”效應(yīng)。
而引力透鏡成像在宇宙中已經(jīng)被廣泛發(fā)現(xiàn)：
形形色色的強引力透鏡效應(yīng)現(xiàn)象——“愛因斯坦環(huán)” | 哈勃望遠(yuǎn)鏡
1974年，美國天文學(xué)家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，使用當(dāng)時世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，位于美國波多黎各的305米阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了位于中子星雙星中的一顆毫秒脈沖星。
2
廣義相對論預(yù)言，兩個天體相互繞轉(zhuǎn)時，會由于攪動時空、發(fā)出引力波而損失軌道能量，讓兩顆中子星之間的距離趨于衰減。
兩位天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這顆脈沖星的脈沖到達時間系統(tǒng)性地逐步偏移，而這種偏移剛好符合廣義相對論預(yù)言中，雙體系統(tǒng)因發(fā)出引力波而產(chǎn)生軌道衰減的情況。
PSR B1913+16公轉(zhuǎn)周期的縮短。紅點為實際觀察到的值，和廣義相對論所預(yù)測的縮短值拋物線相符合。
這是對廣義相對論的一次嚴(yán)格檢驗。赫爾斯、泰勒二人憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎。
2015年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）更是第一次直接探測到雙黑洞并合事件產(chǎn)生的引力波：
LIGO觀測到的第一次雙黑洞并合引力波事件。
促成這一發(fā)現(xiàn)的幾位物理學(xué)家?guī)缀趿⒓磾孬@了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。
更不用說，我們每個人手中應(yīng)用著GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的電子設(shè)備，全都受益于廣義相對論：如果不對地球引力及衛(wèi)星運動的廣義相對論時延效應(yīng)進行改正，衛(wèi)星定位系統(tǒng)將完全無法給出正確位置。
祝賀你，已經(jīng)多次成功參與了廣義相對論的實驗檢驗。
黑洞真的存在嗎
1916年，廣義相對論提出僅僅一年之后。
一個名叫卡爾·史瓦西的德國天文學(xué)家，在第一次世界大戰(zhàn)的前線戰(zhàn)地醫(yī)院臥病時，寫下一篇探索廣義相對論的論文。
他給出了廣義相對論中，描述時空性質(zhì)的“愛因斯坦場方程”的第一個精確解。他指出，對于任何物體，都有一個與其質(zhì)量相對應(yīng)的半徑，如果將其全部質(zhì)量壓縮到這個半徑內(nèi)，這些物質(zhì)就將無止盡的向中心掉落，形成一個時空極端彎曲的奇點。
這個半徑，后來被稱作“史瓦西半徑”。任何物質(zhì)，包括光，都無法從史瓦西半徑內(nèi)逃出。
如果這個極端不可思議的預(yù)言也能得到證明，無疑將會是廣義相對論的又一座豐碑。
但一開始，天文學(xué)家不相信自然界可以產(chǎn)生那么致密的天體。
1931年，印度裔天文學(xué)家錢德拉塞卡指出，小恒星演化的遺骸，也就是靠電子簡并壓維持存在的致密天體白矮星，一旦質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量，就無法繼續(xù)依靠電子簡并壓而維持存在，勢必繼續(xù)坍縮為中子星。
1939年，美國理論物理學(xué)家奧本海默等人又指出，當(dāng)中子星的質(zhì)量超過某一極限（根據(jù)LIGO引力波觀測的結(jié)果，這個極限目前被認(rèn)為是2.17倍太陽質(zhì)量），就連中子簡并壓也無法維持中子星的存在，超重的中子星也必然繼續(xù)坍縮下去——而且似乎沒有什么力量可以再阻擋這種坍縮。
宇宙似乎有辦法把物質(zhì)壓進史瓦西半徑以內(nèi)。
但“奇點”這個讓物理學(xué)失效的地方，讓一些理論物理學(xué)家寢食難安?；堇找欢荣|(zhì)疑，形成奇點之后，原先的物質(zhì)為何可以變成一個無物質(zhì)的幾何點。
隨著理論研究的深入，物理學(xué)界逐漸廓清疑慮，建立了對這種極端天體各項性質(zhì)的共識。它也于1967年被惠勒正式命名為“黑洞”；但來自一些非主流科學(xué)家的異議也始終存在，他們不斷試圖用黑洞之外的理論描述致密天體的結(jié)局。
隨著一系列間接天文觀測證據(jù)的出現(xiàn)，黑洞學(xué)說的事實基礎(chǔ)逐漸堅實起來：
1972年，美國天文學(xué)家使用探空火箭搭載的X射線探測器，發(fā)現(xiàn)了位于天鵝座的一個強X射線源，天鵝座X-1。
發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1時使用的空蜂（Aerobee）火箭結(jié)構(gòu)示意圖。
黑洞成為解釋宇宙中強X射線源形成機制的一把鑰匙。
如果黑洞這樣的致密天體位于一對密近雙星中，它將掠食伴星的物質(zhì)。來自伴星的物質(zhì)在掉進黑洞的過程中，會形成一個旋進下落的“吸積盤”。
由于物質(zhì)在吸積盤的不同半徑處公轉(zhuǎn)速度不同，相鄰物質(zhì)團塊之間會產(chǎn)生劇烈摩擦，使吸積盤達到極高的溫度，從而釋放出強烈的X射線。
正在蠶食伴星的黑洞吸積盤。
由于磁場的作用，吸積盤上的一部分物質(zhì)會從垂直于盤面的方向上向兩側(cè)被噴出。
黑洞的極端致密，讓吸積盤物質(zhì)掉落進黑洞之前，有機會把自身引力勢能的很大比例轉(zhuǎn)化成其他形式的能量釋放出來。相比之下，核聚變的質(zhì)能利用率只有1%左右，而黑洞吸積盤釋放出的引力勢能折合成質(zhì)量，則相當(dāng)于掉落物質(zhì)總質(zhì)量的30%以上。這既是吸積盤上極高溫度的成因，也讓吸積盤噴流得以加速到接近光速。
因此除了X射線雙星，很多迸發(fā)出近光速噴流的星系中心，也被認(rèn)為寄居有超大質(zhì)量黑洞。
例如室女座星系團中心的大質(zhì)量橢圓星系M87：
哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的M87星系。
在這張圖上，我們只能看到一側(cè)的噴流，是因為以接近光速噴出的噴流具有強烈的相對論性多普勒集束效應(yīng)——朝向我們而來的物質(zhì)顯得明顯更亮，背離我們而去的物質(zhì)顯得極為暗淡。
但上面這些，歸根結(jié)底只是間接證據(jù)。
LIGO發(fā)現(xiàn)雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，可以視為黑洞確實存在的一個準(zhǔn)直接證據(jù)——但畢竟我們只是“聽”到了黑洞并合的時空漣漪——不親眼“看”見，總還是不太踏實。
由于黑洞吸積盤能夠釋放出強大的輻射，星系中央大質(zhì)量黑洞的存在與否還對星系演化有著極為關(guān)鍵的影響，可以說當(dāng)代天文學(xué)對星系演化的理解，嚴(yán)重依賴于確實存在星系中心超大質(zhì)量黑洞這個假設(shè)。
如果最終居然證實沒有黑洞的話，現(xiàn)在的天文教科書就要全部重寫了。
給黑洞畫張素描
黑洞如果確實存在，它看上去什么樣？
你可能會說，《星際穿越》已經(jīng)把答案泄了，長這樣——
《星際穿越》劇照
這個答案，對一半，錯一半。
在批評《星際穿越》哪里錯了之前，讓我們一起看看，黑洞是怎樣被看到的。
想象一下我們有一個能發(fā)出理想平行光的手電，以及四個小球：
一個黑體、一個擁有理想漫反射表面、一個擁有理想鏡面反射表面，和一個黑洞。
當(dāng)我們用手電照射這四個小球，并在與入射光線呈90°角的方向暗中觀察，我們將看到什么？
答案是這樣：
對黑體，我們什么都看不到，因為光全都被吸收了（雖然會以黑體輻射的形式放出來，但是如果溫度不高，處于可見光波段的黑體輻射少到可以忽略）；
對于漫反射表面，我們會看到它的一半被照亮了，就像上弦月那樣；
對于鏡面，我們會看到凸起的球面上，形成一個小小的虛像。
對于黑洞，情況就復(fù)雜一些：直接打到史瓦西半徑里面的光，當(dāng)然直接就掉進黑洞了；即使是稍微靠外一些的光，也會被黑洞引力彎曲，繞過一些角度之后落入黑洞；在距離黑洞足夠遠(yuǎn)處的某個地方，光線被黑洞引力偏折了90°，拐向我們的眼睛，這將允許我們看到，黑洞左側(cè)，出現(xiàn)一個光源的像；同理，也會有光線從另一側(cè)，繞著黑洞轉(zhuǎn)過270°之后，拐向我們的眼睛、形成另一個像，諸如此類，可以形成一系列像。
你可能找到一點感覺了。
那么再來一個問題：如果我們站在手電背后，視線沿著入射方向看過去，又會看到什么？
答案是這樣：
所有落入約2.6倍的史瓦西半徑范圍內(nèi)的光線，都會落入黑洞（有些經(jīng)過了一些掙扎）；
在2.67倍史瓦西半徑處，從一側(cè)入射的光線，可以在黑洞引力彎曲下，繞黑洞轉(zhuǎn)半圈、從另一側(cè)射出，被我們看到；
在2.67到2.6倍史瓦西半徑之間，光線也可以繞1.5、2.5、3.5等圈，從另一側(cè)射出，被我們看到。
所以我們最終看到的是2.6到2.67倍史瓦西半徑之間一系列同心圓環(huán)——因為他們彼此離的很近，總的來說我們看到的是黑洞周圍有一個環(huán)狀亮?xí)灒?/strong>也可以說這是黑洞“反射”回來的光。惠勒曾經(jīng)指出，這種反射光甚至可以用來幫助我們發(fā)現(xiàn)闖入太陽附近的黑洞——但只有當(dāng)黑洞質(zhì)量足夠大（數(shù)十個太陽質(zhì)量以上）、離太陽系足夠近（幾個光年以內(nèi)），并且動用比現(xiàn)有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大得多的設(shè)備去觀測才能發(fā)現(xiàn)這種反射光。
知道了光線可以繞黑洞轉(zhuǎn)圈，我們可以開始考慮一個更接近真實宇宙的情況：如果黑洞有一個薄吸積盤，我們將看到怎樣的景象？
沒錯，這正是《星際穿越》給我們展示的情形：
由于我們所處的觀測點稍微高于吸積盤盤面，吸積盤對我們而言，有上、下表面之分。
我們將看到，吸積盤上表面發(fā)出的斜向上方的光，有一部分會被黑洞的引力拉回來，拉向我們的視線方向，從而讓我們看到原本應(yīng)該被黑洞遮擋掉的那部分吸積盤；
而本應(yīng)該完全被吸積盤自身遮擋的吸積盤下表面，其斜向下發(fā)出的光也可以被黑洞拉回來，進入我們的眼睛，讓我們可以同時看到一部分吸積盤的下表面。
當(dāng)然，還有一些光線可以圍著黑洞多繞幾圈再出來，但是它們產(chǎn)生的像不如前兩種顯著，不再討論。
這就是《星際穿越》中為我們描繪的大草帽形黑洞吸積盤的由來。
那為什么說《星際穿越》錯了一半呢？
正如前文提到的，以接近光速運動的物質(zhì)將有強烈的多普勒集束效應(yīng)——吸積盤的一邊朝向我們運動，另一邊背離我們運動，因此我們應(yīng)該看到，其一側(cè)很亮、另一側(cè)很暗。
也就是這樣：
這是1979年，法國天文學(xué)家讓-皮埃爾·盧米涅利用一臺運算能力只有10年前主流手機萬分之一的晶體管計算機計算得到光強等高線圖之后，按照等高線圖的指示，親自動手、用一個個墨點繪制在一張照相紙上的圖像。
這也是人類第一張利用計算機數(shù)值模擬得到的黑洞模擬圖像——距今剛好40周年。
《星際穿越》的科學(xué)顧問、2017年諾貝爾獎得主基普·索恩，曾經(jīng)給電影導(dǎo)演建議過采用考慮了集束效應(yīng)的可視化方案——導(dǎo)演表示，觀眾會很困惑，于是依然采用了錯誤的畫法。盡管《星際穿越》已經(jīng)擁有通俗作品中史上最佳的黑洞影像，但這個錯誤仍然讓物理學(xué)界的老爺子們感到遺憾。
1990年代，盧米涅的同事讓-阿蘭·馬克為紀(jì)錄片《無限彎曲》制作了另一個華麗的黑洞可視化視頻：
如前文所述，從準(zhǔn)確性來說，這段視頻超過《星際穿越》。而且這段視頻甚至展示了進入黑洞之后回看視界面之外的景象，可謂無限眷戀世界了。
這里還有一段“視界面望遠(yuǎn)鏡”團隊博士生安德魯·切爾制作的黑洞吸積盤模擬動畫：
那么，要怎樣才能用望遠(yuǎn)鏡，而非計算機，看到這樣的景象呢？
給黑洞拍張照片
2000年，德國天文學(xué)家 Heino Falcke 對怎樣觀測黑洞視界面做了一番分析：
首先，恒星級黑洞實在是太?。壕嚯x我們最近的一個恒星質(zhì)量黑洞、X射線雙星A0620-00，距離3500光年，大小40千米。這樣其視直徑只有萬分之一個微角秒（10的-10次方角秒）數(shù)量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任何觀測手段的能力。
前文已經(jīng)提到，黑洞按質(zhì)量可以分為兩類：恒星級黑洞和星系中心的超大質(zhì)量黑洞。后者的質(zhì)量往往可以達到數(shù)百萬到數(shù)十億倍太陽質(zhì)量。由于黑洞的史瓦西半徑大小與質(zhì)量成正比，因此要直視超大質(zhì)量黑洞，比恒星級黑洞要容易很多。
最容易想到的兩個超大質(zhì)量黑洞目標(biāo)是銀河系中心的半人馬A*（Sgr A*）和室女座星系團中心星系M87核心的黑洞M87*。前者距離大約26000光年，包含430萬太陽質(zhì)量；后者距離5500萬光年，大約60~70億太陽質(zhì)量。按照史瓦西半徑公式可以計算出，前者直徑約為2500萬千米，后者約為360億千米。
銀河系中央黑洞的X射線偽彩色圖像（錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡拍攝）
前文提到，黑洞“輪廓”（或者叫“影子”）的大小大約是史瓦西半徑的5.2倍，可以計算發(fā)現(xiàn)這兩個超大質(zhì)量黑洞的大小均達到了50微角秒數(shù)量級——要分辨出其輪廓細(xì)節(jié)，相當(dāng)于要在地球上看清月球上的一個蘋果。
如果用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，這需要口徑達2千米的一個巨型望遠(yuǎn)鏡。目前主流大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑在10米左右，即使采用干涉技術(shù)讓幾臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“聯(lián)網(wǎng)發(fā)電”，目前也只能做到100米左右的基線長度（等效口徑）。
何況星系中央處在層層星際塵埃遮擋之中，光學(xué)波段根本看不到。
而在波長更長的射電波段，塵埃遮擋問題迎刃而解了。
尤其是90年代末期的天文觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，銀河系中心黑洞在1毫米多波長處有一個輻射峰值，這既說明那里存在一個活躍的吸積盤，也提示我們可以使用這一波段對其進行觀測。
幸運的是，這也正好是地球大氣水汽吸收“光顧”不到的一個毫米波觀測窗口。
但如果使用1毫米左右的波長，所需的望遠(yuǎn)鏡口徑將達到5000千米以上——接近地球半徑。
在這個尺度上把多臺望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來觀測，已經(jīng)不能只用“干涉技術(shù)”來描述——這叫做“甚長基線干涉技術(shù)”。
Falcke的這個腦洞雖然開的跟地球一樣大，還是得到了天文學(xué)家同行們的信服。經(jīng)過十幾年的協(xié)調(diào)，8臺全球頂尖的毫米波望遠(yuǎn)鏡加入了解析黑洞輪廓的行列。
這就是今天的主角，視界面望遠(yuǎn)鏡。
但要順利完成對黑洞的“拍照”，還有很多困難要克服：
首先要把各家望遠(yuǎn)鏡可用時間協(xié)調(diào)到一塊就不是易事，尤其這其中還動用了阿塔卡馬毫米亞毫米波陣列（ALMA）這樣極度被天文學(xué)家渴求的世界頂級忙碌望遠(yuǎn)鏡。
ALMA
何況在毫米波，地球大氣的水汽非常影響觀測，觀測時不能有云。要讓這些望遠(yuǎn)鏡所在地同時晴天，難度堪比要一群人大合影時沒人眨眼。
對位于南極點的南極望遠(yuǎn)鏡（SPT），工作人員每年只有一次進入和離開的機會。這也增加了數(shù)據(jù)處理的難度：觀測時，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量高達2PB，超過LHC一年的數(shù)據(jù)量。這些數(shù)據(jù)必須裝在硬盤上，對SPT來說，漫漫冬夜中得到的觀測數(shù)據(jù)，不得不等待半年才能在南極的夏天運出。
南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）
最終，在2017年4月的4個觀測夜，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”對銀河系和M87中央黑洞進行了觀測。經(jīng)過兩年的數(shù)據(jù)處理，我們終于等到了文首的那張照片：
第一次獲取黑洞視界面附近區(qū)域的影像，是足以載入史冊的成就。在興奮之余不要忘記，M87中央黑洞只是視界面望遠(yuǎn)鏡的兩位主角之一?，F(xiàn)在我們更有理由期待，事件視界望遠(yuǎn)鏡給銀河系中央黑洞“拍攝”的圖像，會給我們帶來更多驚喜。
未來事件視界望遠(yuǎn)鏡還有更多想象空間：如果把望遠(yuǎn)鏡放到太空、放到月球以取得更長的基線，如果采用更短的頻率，視界面望遠(yuǎn)鏡對黑洞吸積盤細(xì)節(jié)的分辨能力還將得到進一步提升；而如果長時間連續(xù)觀測，我們還可能獲得黑洞吸積盤的小動畫……
真讓人有些迫不及待了呢。
作者：劉博洋
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