? ?事件視界望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)行星尺寸的地面射電望遠(yuǎn)鏡陣列，成功獲得了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞及其影子的第一張圖像。該圖像是室女座星系團(tuán)中星系M87中心的一個(gè)黑洞。
? ? ? ? 大約5500萬光年之外，巨大的橢圓形星系M87中心，潛伏著一頭“巨獸”，默默地吞噬著任何接近它的物質(zhì)。恒星、行星、氣體、塵埃，甚至是光線，只要經(jīng)過它的事件視界，就無法逃脫這頭巨獸的束縛。
昨天，科學(xué)家揭開了這頭巨獸的面紗，公布了它的照片：這個(gè)超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量是太陽的65億倍。這張照片中，圓形的空洞之外，是一個(gè)不勻稱的光環(huán)。這張里程碑式的圖像，是世界上第一張黑洞輪廓的圖像，讓我們得以一窺黑洞“大胃口”的模糊邊緣。
這張圖像是事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）項(xiàng)目所取得的非凡成就。200多位科學(xué)家，利用分布在世界各地的天文臺(tái)陣列，共同參與了這張圖像的觀測(cè)與繪制。這些望遠(yuǎn)鏡陣列結(jié)合起來，口徑相當(dāng)于地球的直徑，自從2017年4月盯著這個(gè)黑洞開始，足以收集PB（1024TB）級(jí)別的數(shù)據(jù)。之后，科學(xué)家花了兩年時(shí)間，才處理好了這張圖像。
此前，人類通過黑洞吸入的超熱物質(zhì)所發(fā)出的輻射，或黑洞噴射出來的帶電粒子流，或通過觀察到恒星似乎圍繞著奇異的天體運(yùn)轉(zhuǎn)，從而獲得黑洞存在的間接證據(jù)。
“我們研究黑洞太久了，有時(shí)候就會(huì)忘記其實(shí)我們誰也沒有見過它的樣子?！?美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)主席France Cordova在公布這張圖像的新聞發(fā)布會(huì)上說道。
“今天，我們很高興能向你們報(bào)告，我們已經(jīng)看到了之前以為看不到的東西?！惫?史密森天體物理研究所的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Shep Doeleman說道，“你們所看到的是一個(gè)事件視界存在的證據(jù)……現(xiàn)在我們擁有了黑洞存在的目視證據(jù)?！?/p>
夜空下的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），ALMA是事件視界望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。
攝影：BABAK TAFRESHI
昨天，《天體物理學(xué)雜志快報(bào)（Astrophysical Journal Letters）》上發(fā)表的6篇論文描述了這場(chǎng)絕妙的觀測(cè)試驗(yàn)、觀測(cè)過程，以及該圖像所揭示的諸多細(xì)節(jié)。主要看點(diǎn)之一在于，可以更加直接地計(jì)算黑洞的質(zhì)量，因?yàn)槠滟|(zhì)量與繞它運(yùn)轉(zhuǎn)的恒星運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)。這些數(shù)據(jù)還隱含著一些線索，科學(xué)家可以分析出某些超大質(zhì)量黑洞是如何把巨大的粒子流以接近光速的速度拋射出來的。
“真的很了不起！某種程度上，甚至讓人感到自身的卑微。大自然謀劃了一番，讓我們看到了我們以為看不見的東西?！盌oeleman說到。
橢圓形星系M87，是室女座星系團(tuán)的主要成員之一，包含著數(shù)萬億顆恒星、一個(gè)超大質(zhì)量黑洞和大約15000個(gè)球狀星團(tuán)。相比之下，我們的銀河系只含有幾千億顆恒星和大約150個(gè)球狀星團(tuán)。
M87的中心閃耀著一個(gè)巨大的宇宙“探照燈”：一個(gè)黑洞以接近光速的速度向外拋射亞原子粒子流。在這張哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像中，藍(lán)色的噴流，與M87中恒星和恒星團(tuán)發(fā)出的黃色光形成鮮明對(duì)比。
供圖：NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); ACKNOWLEDGMENT: P. COTE (HERZBERG INSTITUTE OF ASTROPHYSICS) AND E. BALTZ (STANFORD UNIVERSITY) (上圖) AND PHOTOGRAPH BY NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA) (下圖)
相當(dāng)于拍攝月球上的橘子
起初，事件視界望遠(yuǎn)鏡的目的是為了給我們銀河系中心的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞拍照。這個(gè)黑洞名曰人馬座A*，質(zhì)量只相當(dāng)于400萬顆太陽，與M87中心的黑洞相比簡(jiǎn)直是小巫見大巫。由于M87黑洞是最近、最大的黑洞之一，因此，該團(tuán)隊(duì)決定把望遠(yuǎn)鏡也指向它，期望能最終把兩個(gè)黑洞進(jìn)行對(duì)比。
觀測(cè)銀河系中心的黑洞，反而比觀測(cè)旁邊星系的黑洞更加復(fù)雜，因此，科學(xué)家才先發(fā)布了M87黑洞的圖像。
與單次快照不同，事件視界望遠(yuǎn)鏡的圖像，與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的許多精美圖像一樣，也用到了干涉測(cè)量法，結(jié)合了多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果。當(dāng)科學(xué)家用多架望遠(yuǎn)鏡同步觀測(cè)同一天體時(shí)，就可以校對(duì)觀測(cè)結(jié)果，好像在用一架口徑是這些望遠(yuǎn)鏡彼此間距的巨型望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。
超大質(zhì)量黑洞與周圍的星系相比，尺寸其實(shí)很小。為了解析出這些黑洞，研究團(tuán)隊(duì)需要協(xié)調(diào)世界各地的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)功率。最終，設(shè)在墨西哥、美國(guó)夏威夷、美國(guó)亞利桑那州、智利和西班牙的6個(gè)天文臺(tái)把目光對(duì)準(zhǔn)了室女座星系團(tuán)中最大的星系M87。這張望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，好似一個(gè)口徑相當(dāng)于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡，所能解析的天體，相當(dāng)于哈勃望遠(yuǎn)鏡所能解析的萬分之一。
事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目成員、美國(guó)加州理工學(xué)院的Katie Bouman解釋說：“我們努力觀測(cè)的目標(biāo)在天空中其實(shí)非常非常小，就好像你要拍攝月球上的一個(gè)橘子一樣?！?/p>
連續(xù)數(shù)日，該團(tuán)隊(duì)以短波波長(zhǎng)觀測(cè)M87，因?yàn)殡姴艽┩感窍抵行乃M繞的塵埃和氣體。在此期間，該團(tuán)隊(duì)收集的數(shù)據(jù)量十分龐大，高達(dá)5PB（1PB=1024TB）。要傳輸這些數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)方式肯定不行，唯一可行方式就是把直接運(yùn)輸硬盤。
團(tuán)隊(duì)成員、美國(guó)亞利桑那大學(xué)的Dan Marrone說：“5PB的數(shù)據(jù)非常大，相當(dāng)于能播放5000年的MP3，或者說，根據(jù)我看過的一項(xiàng)研究，相當(dāng)于40000人一生的自拍總和?！?/p>
之后，由于把不同的觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合也并非易事，因此，4個(gè)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用不同的算法，用不同的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最終，每個(gè)團(tuán)隊(duì)所產(chǎn)生的圖像十分相似，表明這些觀測(cè)都很可靠，而且最終的圖像也是盡可能精確的。準(zhǔn)確地說，這次發(fā)布的圖像，與該團(tuán)隊(duì)前幾年所模擬出的圖像幾無二致。
團(tuán)隊(duì)成員、荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的Sera Markoff說：“太可怕了，幾乎跟我們預(yù)測(cè)的一模一樣。我總是時(shí)不時(shí)地在手機(jī)上看它?！?/p>
不久之后，該團(tuán)隊(duì)幾乎發(fā)布距我們地球最近、最親密的超大質(zhì)量黑洞的圖像。不過，雖然人馬座A*黑洞更近一些，你們也千萬別以為它的寫真會(huì)被剛剛發(fā)布的這張圖像更清晰銳利。
英國(guó)劍橋大學(xué)的教授及英國(guó)皇家天文學(xué)家Martin Rees爵士說：“M87的距離遠(yuǎn)2000倍左右，但它的黑洞也要大2000倍左右。它們?cè)谔炜罩械慕谴笮∈且粯拥??！?/p>
美國(guó)夏威夷的冒納凱阿（Mauna Kea）火山上林立著多個(gè)天文臺(tái)，其中就包括參與事件視界望遠(yuǎn)鏡2017年觀測(cè)項(xiàng)目的詹姆斯?克拉克?麥克斯韋爾望遠(yuǎn)鏡（左起第二）。
65億顆閃耀的太陽
現(xiàn)在，有了這張圖像之后，科學(xué)家們可以開始探索黑洞物理學(xué)更深處的奧秘，比如確認(rèn)黑洞的基礎(chǔ)構(gòu)成。
Rees說：“我們很想從這些觀測(cè)中知道的是，這些黑洞的性質(zhì)，是否真如愛因斯坦所預(yù)測(cè)的那樣？”
截至目前，從某種程度上說，愛因斯坦似乎是對(duì)的。盡管這位著名的物理學(xué)家對(duì)黑洞是否真正存在一直持懷疑態(tài)度，但是，他在1915年發(fā)表的廣義相對(duì)論方程的解曾預(yù)言稱，如果黑洞這種超大質(zhì)量的天體在宇宙中廣泛存在，那么，它們應(yīng)該是球形的，就像是嵌在一圈光亮中的一團(tuán)黑影。
永遠(yuǎn)吃不飽的怪獸
盡管黑洞的名字似乎暗示著虛空，但是，黑洞其實(shí)是宇宙中密度最大的天體，因?yàn)樗鼈兊囊κ謴?qiáng)大。巨型恒星坍縮而成的恒星型黑洞，能把10個(gè)太陽的質(zhì)量壓縮到紐約市大小。星系中心的超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，堪比幾十億顆太陽，它們的起源仍是未解之謎。
JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF. ART BY MARK A. GARLICK
SOURCES: AVERY BRODERICK, PERIMETER INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS, UNIVERSITY OF WATERLOO, CANADA; UCLA GALACTIC CENTER GROUP
M87
1781年，天文學(xué)家查爾斯?梅西耶（Charles Messier）在室女座中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)亮點(diǎn)，即梅西耶87（M87）。星系M87遠(yuǎn)在5500萬光年之外，包含著幾萬億顆恒星。在該星系中心，有一個(gè)非常致密的射電電波源頭：質(zhì)量約相當(dāng)于65億顆太陽的超大質(zhì)量黑洞。
1.奇點(diǎn)
根據(jù)愛因斯坦的方程，在黑洞的中心，一個(gè)恒星的所有質(zhì)量坍縮成了一個(gè)密度無限大而又沒有緯度的點(diǎn)，名為奇點(diǎn)。奇點(diǎn)可能實(shí)際上不存在，但在我們對(duì)重力的理解中，奇點(diǎn)卻指向了一個(gè)數(shù)學(xué)上的“洞”。
2.事件視界
圍繞在M87黑洞周圍約113億千米范圍內(nèi)的視界，即為光都無法逃出黑洞引力的邊界。
3.靜態(tài)極限
黑洞的旋轉(zhuǎn)會(huì)扭曲空間，使環(huán)繞在其周圍的物質(zhì)公轉(zhuǎn)速度加快或減慢。在某些環(huán)繞軌道上，某些物體以光速相對(duì)于黑洞的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)，從而看上去像是靜止?fàn)顟B(tài)。這一軌道即為靜態(tài)極限。
4.吸積盤
M87黑洞周圍有一圈以接近光速旋轉(zhuǎn)的超熱氣體和塵埃盤。這個(gè)盤面能發(fā)射出熱、無線電噪聲和X射線，其中某些X射線長(zhǎng)達(dá)10萬光年。
5.X射線噴流
一百多年前，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了來自于M87的“直射光線”。當(dāng)繞著中心黑洞旋轉(zhuǎn)的超熱氣體沿著強(qiáng)烈的磁場(chǎng)線射出時(shí)，就會(huì)形成這種強(qiáng)烈的噴流。當(dāng)電子沿著這些磁場(chǎng)線旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的輻射，從無線電到X射線不等。
M87的圖像與愛因斯坦的預(yù)言相符，不過，外側(cè)的一圈亮光有點(diǎn)不均勻，看起來像是一個(gè)腫脹的甜甜圈。不過，這也在預(yù)料之中。環(huán)繞在黑洞周圍的物質(zhì)形成了一個(gè)發(fā)光的圓盤，由于這個(gè)圓盤的一側(cè)在朝著我們運(yùn)動(dòng)，因此，這部分就會(huì)更明亮一些。
“整個(gè)東西都在運(yùn)動(dòng)，因此，某一部分是在朝著我們發(fā)光，所以啊，《星際穿越》錯(cuò)了！” Markoff認(rèn)為2014年的那部電影中所展現(xiàn)的黑洞景象不太準(zhǔn)確。她補(bǔ)充道：“看這張圖像，與望向時(shí)空中的某個(gè)黑洞，是大相徑庭的?！?/p>
根據(jù)M87黑洞的事件視界，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)算出這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于65億顆太陽，與根據(jù)繞其旋轉(zhuǎn)的恒星的運(yùn)動(dòng)而間接估測(cè)的質(zhì)量范圍恰好相符。不過，問題在于，科學(xué)家們估測(cè)黑洞質(zhì)量常用的方法，是根據(jù)繞黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)的氣體的運(yùn)動(dòng)來計(jì)算，而用這種方法計(jì)算出的黑洞質(zhì)量比此次發(fā)布的黑洞質(zhì)量要小得多。如果兩者相差較大，那么，科學(xué)家們就需要弄清楚其中的原因。
美國(guó)普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家Jenny Greene說：“我們把擁有氣體動(dòng)態(tài)的星系按比例放大了，因此，現(xiàn)在非常關(guān)鍵，應(yīng)該把這種方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)?！?/p>
但是，盡管新的數(shù)據(jù)能幫我們計(jì)算出黑洞的質(zhì)量，但要讓研究團(tuán)隊(duì)說出M87黑洞的事件視界有多大，還是有點(diǎn)兒難。正如我們經(jīng)常看到的那樣，物體的輪廓或陰影的邊緣很模糊，這張圖像中的黑圈也是一樣。計(jì)算這個(gè)黑洞直徑所需要的一系列參數(shù)目前都還是未知數(shù)，比如黑洞自轉(zhuǎn)的速度是多快，它在太空中的確切定位在哪里。
如果把這個(gè)黑洞放在我們的太陽系里，它的事件視界可能遠(yuǎn)在冥王星的軌道之外，可能比地日距離的120倍還遠(yuǎn)。
有意思的是，這意味著，你可能從M87黑洞的事件視界穿過而不自知，因?yàn)檫@個(gè)黑洞如此巨大，以至于在這個(gè)點(diǎn)上，時(shí)空幾乎并不會(huì)發(fā)生彎曲。此處，M87黑洞的巨大引力對(duì)你頭部和腳部的引力可能是相同的。但是，當(dāng)你再近一步，時(shí)空曲率驟增，你最終會(huì)被拉成垂直而細(xì)長(zhǎng)的一根面條。這時(shí)候，你肯定會(huì)覺察出來，因?yàn)?，你一定開始感覺到不舒服。
噴射器
沒人知道身處黑洞的中心——奇點(diǎn)是什么感受。在宇宙這塊絨布上出現(xiàn)的這個(gè)針孔，周圍是彎曲的、奇特的時(shí)空，任何東西都無法逃脫。
然而，這張新圖像將幫助科學(xué)家更好地理解M87黑洞的外側(cè)，尤其是以接近光速傳播的高能帶電粒子。M87黑洞外側(cè)可見的噴流直徑約為4900光年，在周圍的宇宙背景中非常惹眼。
黑洞還會(huì)把物質(zhì)拋射到太空中去？這與它只會(huì)吸入物質(zhì)的設(shè)定似乎有些矛盾。這種奇異的天體真是讓人困惑至極。
加拿大麥吉爾大學(xué)的Daryl Haggard說：“黑洞推開物質(zhì)的能力，與它們吸引物質(zhì)的能力是一樣的。”他指出，科學(xué)家們真的不知道黑洞是怎么產(chǎn)生噴流的。
通過觀測(cè)M87黑洞的事件視界，以及光和物質(zhì)的交接處，科學(xué)家們或許能夠解開這一難題。此前，多個(gè)天文臺(tái)曾對(duì)準(zhǔn)這個(gè)黑洞，試圖解開黑洞噴流的動(dòng)力源。
Markoff說，這類噴流似乎起源于事件視界周圍所環(huán)繞物質(zhì)，這個(gè)區(qū)域叫作“能層（ergosphere）”。在能層里，時(shí)空永不靜止，永遠(yuǎn)在旋轉(zhuǎn)。這個(gè)環(huán)境中的磁場(chǎng)線非常強(qiáng)烈，氣體高達(dá)幾百萬度，各種粒子以近乎不可能的速度飛著。這些因素在微觀尺度上的交互作用，似乎激發(fā)出噴流中蘊(yùn)含的巨大能量。
Markoff說，把M87黑洞相對(duì)活躍的噴流，與我們銀河系黑洞最終的圖像對(duì)比后，“我們將更好地理解黑洞勢(shì)力的興衰，對(duì)我們宇宙漫長(zhǎng)歷史的影響?！?/p>
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