出品：《科學(xué)大家》
撰文：Sheperd Doeleman 天文學(xué)家，事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，哈佛大學(xué)教授
如何去拍攝一個(gè)連光線都無法逃脫的天體“黑洞”？設(shè)想盡管光線一旦進(jìn)入黑洞便無法逃離，但是我們可以拍攝它的邊緣，就是那些即將落入黑洞之前的氣體物質(zhì)。通過這樣的觀測(cè)，我們也可以去檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，另一方面，我們也可以把星系核心的黑洞作為人類研究的實(shí)驗(yàn)室。
上圖是武仙座A，這是在可見光波段拍出的圖像，在圖片的中間位置，可以看到有恒星密集分布的星系。
雖然武仙座A的照片非常美，但上面這張圖才是經(jīng)典。這是同一區(qū)域拍出來的射電波段的圖像。從圖中我們可以看到兩股噴流從星系的內(nèi)部噴涌而出，延伸超過距離達(dá)150萬光年。
究竟是什么在驅(qū)動(dòng)這樣的能量輸出？要知道，這樣的噴流釋放能量大約相當(dāng)于200億顆超新星同時(shí)爆發(fā)。能夠做到的就只有一種可能性，那就是一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，大量物質(zhì)正在快速被吞噬，并同時(shí)以接近光速的速度向兩側(cè)釋放噴流，穿越整個(gè)星系，而我所在的實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)正是要深入其中，看能否目睹黑洞邊界。
1979年，法國物理學(xué)家讓·皮埃爾·盧米涅用推導(dǎo)過程，第一次描述了假如人類能直接看到黑洞，將會(huì)出現(xiàn)什么效果。他描述說，人類將看到黑洞的“陰影”（shadow），除了圓盤狀的邊緣之外，黑洞背后的部分也會(huì)在上下位置上顯示出來。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論和德國物理學(xué)家史瓦西的研究成果，黑洞的陰影面積是可以計(jì)算的，反過來，我們也可以通過這次觀測(cè)，來驗(yàn)證愛因斯坦的理論是否精確。盧米涅還不滿足于推導(dǎo)過程，他繪制出了世界上第一幅黑洞外觀的效果圖。
通過觀察光線在黑洞附近時(shí)的彎曲情況，我們可以看到單個(gè)光線會(huì)繞著事件視界轉(zhuǎn)圈。隨著黑洞周圍的高溫氣體產(chǎn)生的光線越來越多，大量光線會(huì)從黑洞后方照射過來。
上圖是我們現(xiàn)在對(duì)于黑洞外觀的最佳模擬，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)，通過很長時(shí)間，占用了無數(shù)CPU算力才得到的模擬結(jié)果。在這個(gè)動(dòng)圖中，你可以清楚的看到光子轉(zhuǎn)動(dòng)的邊界。除此之外，你還能看到大量高溫氣體朝著黑洞旋轉(zhuǎn)下落的過程。
那么，我們是如何做到這一切的呢？
黑洞邊緣的光線，要穿越黑洞旁的高溫氣體，穿越宇宙空間中的恒星際物質(zhì)，穿越地球的大氣層，并最終被我們觀測(cè)到，大概也就只有一種波長的光線有可能：那就是波長大約是1毫米左右。而要想對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，我們將需要一個(gè)地球那么大的射電望遠(yuǎn)鏡，另外，它的分辨率相當(dāng)于你站在美國洛杉磯，能看清波士頓或者紐約一張報(bào)紙上的字。
目前，人類不可能造出那么巨大的望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)然，我們也不會(huì)那樣干。我們使用的是一種叫做“甚長基線干涉”（VLBI）的技術(shù)：將分布在世界各地的望遠(yuǎn)鏡連接起來，用極為精準(zhǔn)的原子鐘校準(zhǔn)時(shí)間，開展同步觀測(cè)，其誤差每1000萬年不超過1秒。這樣就相當(dāng)于構(gòu)建了一臺(tái)口徑和地球直徑相當(dāng)?shù)木扌蜕潆娡h(yuǎn)鏡。
每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都會(huì)獲得海量數(shù)據(jù)，我們都是用硬盤來存儲(chǔ)，并通過快遞公司快遞硬盤的方式來傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大，在線傳輸根本滿足不了需求。
舉個(gè)例子，想要從南極望遠(yuǎn)鏡向數(shù)據(jù)中心在線傳輸它所采集的所有數(shù)據(jù)，要花費(fèi)25年的時(shí)間，因此還不如等天氣好的時(shí)候，用飛機(jī)直接把硬盤送走，或許真的沒有比用波音747飛機(jī)直接運(yùn)送硬盤更高效的數(shù)據(jù)傳輸方式了。
過去的10年里，我們到處聯(lián)絡(luò)世界各地的望遠(yuǎn)鏡，西班牙，智利，美國夏威夷和亞利桑那。最終在2017年的4月份，我們成功地協(xié)調(diào)所有望遠(yuǎn)鏡在精準(zhǔn)的同一時(shí)間，對(duì)同一個(gè)黑洞進(jìn)行了同步觀測(cè)。
2019年4月10日，EHT合作組宣布，已經(jīng)成功獲得M87核心超大質(zhì)量黑洞的圖像，這張照片就是非常有把握的，扎實(shí)的結(jié)論。在EHT合作組中，我們每一次做出的決定，或得出結(jié)論，都會(huì)通過不同算法，或者不同角度，采用兩種，三種甚至四種不同角度去驗(yàn)證，如果能得到同樣的結(jié)果，那么這個(gè)結(jié)果，我們才會(huì)采納。
首張黑洞照片顯示的是相當(dāng)于650億倍太陽質(zhì)量的物質(zhì)，聚集在一個(gè)圓形的光子軌道邊界區(qū)域范圍內(nèi)的場(chǎng)景，其大小完全符合愛因斯坦的理論預(yù)期。圖像的中間位置就是事件視界，在其內(nèi)部，就連光線都無法逃脫；圖像的下方比較明亮，這是因?yàn)槟阏谀慷靡越咏馑俚乃俣?，圍繞黑洞周圍運(yùn)行的超高溫氣體物質(zhì)。當(dāng)它朝向我們的視線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，它看上去會(huì)更明亮；而在圖像的上方，情況反過來，物質(zhì)遠(yuǎn)離你而去，它會(huì)變得暗淡一些。
這是迄今為止，超大質(zhì)量黑洞存在的最佳直接證據(jù)。而上下不同區(qū)域的明亮情況所指示的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)情況，可以讓我們估算出黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的自轉(zhuǎn)軸方位。我們也第一次有機(jī)會(huì)弄清楚，這個(gè)質(zhì)量高達(dá)650億倍太陽質(zhì)量的巨無霸，在不斷吞噬氣體物質(zhì)的同時(shí)，其自身方位朝向是如何的，因而可以產(chǎn)生我們?cè)陂_始時(shí)向大家所展示的那種強(qiáng)大噴流。
數(shù)十年來，我們只能通過計(jì)算機(jī)去做模擬，而現(xiàn)在確定了，之前我們所做的都是正確的，我們正在沿著正確的道路前進(jìn)。
這個(gè)黑洞到底有多大呢？以太陽系為例，你就可以看出這個(gè)黑洞到底有多大：整個(gè)太陽系都可以放進(jìn)去。迄今飛的最遠(yuǎn)的人造飛船旅行者1號(hào)飛船，也才剛剛飛到事件視界邊緣，在這個(gè)巨無霸黑洞面前，人類相形見絀。
那么未來我們還將要做什么呢？
完成了首張黑洞照片后，接下來我們要做什么呢？那就是“下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡”。做好這件事的關(guān)鍵就是位置。接下來，我們將嘗試把望遠(yuǎn)鏡放在我們想要的位置上，而不是像之前那樣，只能在現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)上。選擇合適的位置能更好地提升觀測(cè)精度，讓圖像更加清晰。不過，目前這還只是初步的設(shè)想。
作為第一期工程，我們計(jì)劃在未來3~4年進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，并在第二期工程期間，開始嘗試自行建造許多新的臺(tái)站。這些臺(tái)站的望遠(yuǎn)鏡可能不會(huì)太大，但我們計(jì)劃是靈活地使用它們。與此同時(shí)，我們的數(shù)據(jù)帶寬將提升4倍，達(dá)到256Gb/s。
隨著未來觀測(cè)波段的擴(kuò)展，數(shù)據(jù)量也將飛升。此前單波段的數(shù)據(jù)量已經(jīng)十分驚人，已超過了超過10PB（編者注：1PB=1024TB），未來的數(shù)據(jù)量或許會(huì)突破100PB。我想，專業(yè)人士看到這樣的數(shù)據(jù)量會(huì)發(fā)抖吧！如何存儲(chǔ)，如何運(yùn)輸，如何處理這些數(shù)據(jù)將成為一個(gè)問題。未來，我們將需要新的超高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，或者云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案等等，各方面都需要做優(yōu)化。但不管如何，我們的目標(biāo)是未來不再是拍攝黑洞的靜止照片，而是拍攝錄像，從而幫助解答一些非?；镜奈锢韺W(xué)問題。比如，現(xiàn)在的事件視界望遠(yuǎn)鏡無法觀測(cè)到星系噴流中非常精細(xì)的一些擾動(dòng)和起伏狀態(tài)，但是下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡就可以做到。如此，將可以極大地幫助我們加深對(duì)黑洞如何產(chǎn)生星系噴流的認(rèn)識(shí)。
再比如，有了下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡，我們將可以嘗試拍攝黑洞的實(shí)時(shí)錄像，可以很方便地追蹤不同的高溫氣體團(tuán)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
在此之前我們驗(yàn)證了愛因斯坦理論中關(guān)于光線在時(shí)空中彎曲的預(yù)言，而這一次，我們將可以檢驗(yàn)愛因斯坦關(guān)于高溫氣體物質(zhì)在黑洞周圍的運(yùn)動(dòng)的預(yù)言。我們可以測(cè)定它圍繞黑洞公轉(zhuǎn)一周將需要多少時(shí)間，比如半個(gè)小時(shí)等，結(jié)合黑洞的質(zhì)量數(shù)據(jù)，我們將可以開展這樣的檢驗(yàn)。
另外，我們還可以嘗試將望遠(yuǎn)鏡放到太空中去。在低地球軌道，甚至地球同步軌道上安置望遠(yuǎn)鏡，從而進(jìn)一步提升望遠(yuǎn)鏡的整體性能。
首張黑洞照片的問世，離不開“事件視界望遠(yuǎn)鏡國際合作組”的整體努力，這項(xiàng)工作是由來自超過20個(gè)國家和地區(qū)，60多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的超過200名科學(xué)家共同參與的結(jié)果。
在突破獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮現(xiàn)場(chǎng)，Sheperd Doeleman接受了新浪科技等媒體的采訪，以下為采訪實(shí)錄：
問：我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，它是塑造銀河系的主導(dǎo)力量嗎？
回答：事實(shí)上，銀河系中心的黑洞的影響范圍，相比于巨大的銀河系來說是非常小的。因此對(duì)于這個(gè)400億倍太陽質(zhì)量的黑洞大可不必?fù)?dān)憂。但這個(gè)黑洞確實(shí)會(huì)和銀河系共同演化，不斷吸積物質(zhì)，吞噬，成長，合并，這其中仍然有很多謎團(tuán)尚未揭開。因此，關(guān)于銀河系中央的超大質(zhì)量黑洞究竟如何與星系共同演化，今天仍然是一個(gè)值得探討的問題。
問：一個(gè)黑洞的質(zhì)量需要有多大，才能向其內(nèi)部發(fā)射探測(cè)器而不至于在穿越事件視界時(shí)被引潮力撕碎？
回答：這是一個(gè)好問題。事實(shí)上，存在兩種不同類型的黑洞。一種叫做恒星質(zhì)量黑洞，它是在恒星死亡時(shí)誕生的。超新星爆發(fā)之后，可能產(chǎn)生一個(gè)很小的黑洞。這種黑洞的引潮力非?？植溃鼤?huì)撕碎任何穿越它事件視界的物體；而那些超大質(zhì)量黑洞，比如650億倍太陽質(zhì)量，或者400萬倍太陽質(zhì)量這樣的黑洞，這樣的黑洞太過巨大，以至于你可以毫無察覺地穿越它的事件視界，而完全不知道你自己已經(jīng)告別這個(gè)宇宙了。不過它內(nèi)部肯定還是存在人類能夠感知到的某種邊界的。因此這里就有兩種邊界，一種是你感覺不到的，而另一種就是你會(huì)被拉伸成“面條”的地方。
問：黑洞周圍氣體物質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及黑洞本身的轉(zhuǎn)動(dòng)情況會(huì)不會(huì)對(duì)成像工作構(gòu)成影響？
回答：很棒的問題。我們有一個(gè)理論，叫做“黑洞無毛”。也就是說，黑洞就是一個(gè)光溜溜的球，外表不會(huì)有任何其他東西。黑洞只有兩個(gè)基本參數(shù)：質(zhì)量和自轉(zhuǎn)。黑洞會(huì)自轉(zhuǎn)，我們堅(jiān)信M87星系核心的黑洞正在自轉(zhuǎn)，因?yàn)槲覀冇^察到它的南北兩極存在高速噴流現(xiàn)象。但在這種情況下，是氣體物質(zhì)在轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)黑洞本身也在自轉(zhuǎn)。
不過，所有模型都顯示，在非常接近黑洞的地方，即便是氣體物質(zhì)與黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的，黑洞也會(huì)帶著氣體物質(zhì)一起轉(zhuǎn)，改變后者的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。因此在前面的照片里，由于多普勒效應(yīng)，我們看到下部區(qū)域變亮，上部區(qū)域變暗，這正是由于黑洞自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的結(jié)果，這也是為何我們可以得知黑洞自轉(zhuǎn)軸方位的原因。但這并不會(huì)對(duì)我們的成像工作帶來多大的幫助，因?yàn)槲覀円呀?jīng)從我們拍攝的非常清晰的圖像中了解到了這一點(diǎn)。
問：為什么1毫米左右的波段成為最佳觀測(cè)選擇？
回答：在這場(chǎng)宇宙大堵車事件中，所有氣體都朝著黑洞的事件視界下落，劇烈的摩擦?xí)a(chǎn)生極高的溫度，就像你摩擦雙手會(huì)感到發(fā)熱一樣，這是一樣的原理。那里的氣體溫度可以被加熱到數(shù)十億攝氏度，因此會(huì)發(fā)光。這也是為何我們能夠看到它們的原因。因此你需要找到一種合適的波段，該波段的光線應(yīng)該產(chǎn)生于引力勢(shì)阱深處，盡可能接近黑洞的位置上，并且還要能夠從那里順利逃脫。而毫米波可以做到這一點(diǎn)，很多其他波長的光線卻做不到。
隨后，它還必須穿越星系本身，M87星系其中有很多恒星際介質(zhì)，會(huì)散射不同波長的光子；再接下來，它還得經(jīng)受星系際介質(zhì)的考驗(yàn)，不過那都是比較稀疏的；最后，它還要穿過地球大氣層才能抵達(dá)我們的設(shè)備。
光是這些，我們就可以排除掉很多波段，比如紅外線，可見光的紅色光，X射線，以及其他很多波段都不行了。但是1毫米波長就符合條件，可以穿過所有這些障礙，并且它也是黑洞釋放能量的主要波段之一。因此毫不奇怪的，它成了首選。
問：你們用了四種不同的方法來處理數(shù)據(jù)來確保正確性。既然現(xiàn)在已經(jīng)得到了正確的圖像，在未來處理其他后續(xù)圖像時(shí)，你們還會(huì)繼續(xù)用四種不同算法去做嗎？還是說既然已經(jīng)有了得到驗(yàn)證的行之有效的方法，就按這個(gè)方法就好？
回答：這是一個(gè)很好的問題。我現(xiàn)在就可以告訴你，我們目前正在處理拍攝的銀河系中心黑洞，也就是所謂“半人馬座A*”的圖像數(shù)據(jù)。我們?nèi)匀徊捎玫氖撬姆N算法分別進(jìn)行的模式，因?yàn)殂y河系中心的黑洞質(zhì)量要比M87的那個(gè)黑洞要小1000倍以上，這也就意味著圍繞它轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也要快上1000倍。
氣體繞轉(zhuǎn)一圈的周期只要半個(gè)小時(shí)，而之前我們展示的M87核心的黑洞周圍的氣體，繞一圈則要一個(gè)月。因此一個(gè)晚上，銀河系中心的黑洞會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)好多圈。這樣一來，我們就不能拍攝靜止圖像了，而必須采用錄像模式。這很好理解，就像你正嘗試拍一個(gè)從你鏡頭前快速通過的人一樣，你洗出來的照片可能會(huì)是糊的。我們必須改進(jìn)我們的算法，目前已經(jīng)有人在做這方面努力了。
問：我留意到你們的網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了西半球，而在東半球幾乎沒有涉及，這其中有什么考慮嗎？
回答：這其實(shí)是一個(gè)幾何問題。目前我們?cè)诤褪澜绺鞯氐娜藗兘佑|，尋找最佳的地點(diǎn)，以便可以填補(bǔ)進(jìn)去，幫助完善我們的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。
只要是為了完善望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，需要我們?nèi)ツ睦?，我們就去哪里，我們有非常棒的博士后和學(xué)生正在幫助研究如何優(yōu)化我們的網(wǎng)絡(luò)布局。我們甚至制作了一張“世界熱力圖”，其中考慮了各種不同的因素，比如大氣，對(duì)于完善網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的意義，當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施情況等等，只要哪里我們覺得合適，我們就會(huì)去。
我們將會(huì)和世界各國合作，將這件事（事件視界望遠(yuǎn)鏡）做成。將地球變成一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)需要我們與各國開展廣泛的合作，未來，我認(rèn)為中國會(huì)在其中占據(jù)一席之地。
問：那你認(rèn)為中國將會(huì)發(fā)揮什么樣的作用？
回答：如果我們進(jìn)入太空，那么中國在太空技術(shù)方面非常有經(jīng)驗(yàn)，又或者我們未來建造新的望遠(yuǎn)鏡，中國在這方面同樣擁有專業(yè)技術(shù)。我們非常期待與中國的科學(xué)家們開展合作。
問：現(xiàn)在用于觀測(cè)黑洞的望遠(yuǎn)鏡一共有幾臺(tái)？未來還會(huì)再添加更多新的望遠(yuǎn)鏡嗎？會(huì)在哪個(gè)國家？
回答：用于觀測(cè)黑洞，我們目前有8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，它們位于6處不同的地點(diǎn)。而現(xiàn)在，我們正在3處不同地點(diǎn)建造新的望遠(yuǎn)鏡，這樣一來我們就將擁有11臺(tái)望遠(yuǎn)鏡了。而在未來，除了拍攝更加高清的黑洞靜止圖像之外，我們還希望能夠拍攝黑洞的錄像。因?yàn)殇浵窨梢越沂竞诙囱莼膶?shí)時(shí)過程，比如黑洞是如何吞噬物質(zhì)的，以及黑洞是如何在其南北兩極產(chǎn)生噴流的？黑洞如何自轉(zhuǎn)？以及黑洞如何與它所在的星系共同演化，等等。
問：我們知道有很多中國的科研機(jī)構(gòu)參與了EHT望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，共有16位中國科學(xué)家參與其中，是這樣嗎？
回答：事實(shí)上應(yīng)該是遠(yuǎn)超過16個(gè)人的，我不知道具體數(shù)字，因?yàn)椴粩嘤行碌某蓡T在加入我們。但是中國的科學(xué)家不僅僅是參與到數(shù)據(jù)分析工作中，他們還通過一系列東亞地區(qū)的天文臺(tái)參與支持設(shè)在夏威夷的詹姆斯·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT），而那臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)于我們來說非常重要。因此中國不僅在數(shù)據(jù)分析方面與我們展開合作，還在望遠(yuǎn)鏡等其他領(lǐng)域與我們合作。
問：未來，除了黑洞之外，你們還有其他目標(biāo)計(jì)劃進(jìn)行觀測(cè)嗎？
回答：事件視界望遠(yuǎn)鏡極其強(qiáng)大，事實(shí)上我們可以用它對(duì)很多不同的目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。舉一個(gè)例子，或許我們可以用它來觀察恒星的死亡過程。不過那將會(huì)是在未來，或許是明年，或者更晚的時(shí)間。
問：今年4月份的黑洞照片讓我們驚嘆不已，你有沒有預(yù)見到會(huì)有更加先進(jìn)的技術(shù)，可以加速相關(guān)數(shù)據(jù)的處理過程？
回答：這真是個(gè)好問題！之所以我們之前花了兩年多時(shí)間，是因?yàn)槲覀円恢痹诜磸?fù)地進(jìn)行各種核對(duì)。未來，既然我們已經(jīng)了解了數(shù)據(jù)分析的方法，那么我們將可以做的更快一些。不過與此同時(shí)，有更多的望遠(yuǎn)鏡加入進(jìn)來，我們采集到的數(shù)據(jù)也將變得越來越多。因此這里永遠(yuǎn)都存在一種緊張關(guān)系：那就是你可以采集到多少數(shù)據(jù)，以及你有多少計(jì)算機(jī)算力可以被調(diào)配過來用于數(shù)據(jù)的分析。但我認(rèn)為在未來，隨著我們拍攝黑洞的錄像，我們將會(huì)找到更好的技術(shù)來解決這個(gè)問題的。
問：你知道中國的FAST望遠(yuǎn)鏡嗎？
回答：是的，F(xiàn)AST是一臺(tái)了不起的望遠(yuǎn)鏡，但是對(duì)于事件視界望遠(yuǎn)鏡而言，EHT項(xiàng)目因?yàn)轭l段現(xiàn)在無法使用FAST，但它仍然可以被用來開展很多有趣的科學(xué)。
問：能否談?wù)劇巴黄茢z星”計(jì)劃（Breakthrough Starshot），這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)是飛向半人馬座α。你們觀測(cè)過飛向半人馬座α嗎？
回答：首先，那里并沒有可以讓我們觀測(cè)的目標(biāo)，因?yàn)槟抢锊]有巨型黑洞存在。因此我們觀測(cè)的目標(biāo)主要還是銀河系的核心，以及M87星系的核心，因此我們沒有辦法去幫助“突破攝星”計(jì)劃。但是未來或許會(huì)有一個(gè)“突破視界”望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目呢？我不知道。
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