明天!黑洞要顯真身了,是誰為它拍了第一張照片?
2019年04月09日09:15

  2019年4月10日中部標準時間15:00(香港時間 4月10日21點整),全球六地(比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京和美國華盛頓)將以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言,通過協調召開全球新聞發佈會,事件視界望遠鏡(EHT)將宣佈一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果,人類首張黑洞照片即將在全球六地同步發佈, 一直“活在傳說中”的黑洞終於要露真容了。

  在此之前,筆者研究黑洞將近20年,我常常被人問到“黑洞是什麼樣的”。

  說實話,我並不確定。

  除了在論文課件中自製的效果圖,第一次“親眼”看到黑洞形像是2015年在電影院里,螢幕上是《星際穿越》中的黑洞“卡岡圖雅”——深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓環——相對論物理學家基普·索恩為影片設計的黑洞形象(見圖一),和想像中的相差無幾。

圖一:電影星際穿越當中的黑洞,周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤(圖片來源:電影《星際穿越》)
圖一:電影星際穿越當中的黑洞,周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤(圖片來源:電影《星際穿越》)

  從廣義相對論推知而來的黑洞,就存在於宇宙深處,這一點在21世紀的今天或已無可置疑。黑洞確鑿地存在於無數觀測數據之中,但我們並不知道它在現實中的真實模樣。如今,人類終於要為黑洞拍下第一張真正的照片了。

  去年 事件視界望遠鏡觀測計劃開啟

  2017年的4月5日到14日之間,來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃,利用分佈於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡,人類第一次看到黑洞的視界面。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為“事件視界望遠鏡”(Event Horizon Telescope, EHT),其有效口徑尺寸將達到地球直徑大小。人類在2015年第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉合併所產生的引力波之聲,從那以後,科學家們又在為親眼目睹黑洞真容而努力了。

  無論我們最終得到的黑洞圖像是什麼樣子——是像電影畫面一般壯觀恢弘,或者只有幾個模糊的像素點——事件視界望遠鏡都意義非凡,這是我們在黑洞觀測史上邁出的重要一步。觀測結果不僅僅是一張照片那麼簡單,它一方面呼應著愛因斯坦的廣義相對論,一方面也將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。我們將成為有史以來第一批“看見”黑洞的人類,真是好運氣。

  無圖無真相,科學家怎麼知道黑洞在那裡?

  儘管“黑洞”(black hole)一詞在1968年才由美國天體物理學家約翰·惠勒提出來,但早在1783年,英國地理學家約翰·米歇爾(John Michell)便已經意識到:一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。這也是普通人在今天對於黑洞的最基本認識:吸入所有一切,連光都逃不出來。

  既然想一睹黑洞“芳容”,我們對這個遙遠天體的認識就得再多些。黑洞的幾乎所有質量都集中在最中心的“奇點”處,“奇點”在其周圍形成一個強大的引力場,在一定範圍之內,連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”——顧名思義就是視線所能到達的界面。你大概感到好奇:登山家們勇攀高峰的原因是“山就在那裡”,可是,既然天文學家們根本看不到黑洞,他們是怎麼確定“黑洞就在那裡”的呢?

  黑洞自身不發光,難以直接探測,大大小小的望遠鏡對於直接觀測遙遠黑洞力不能逮。科學家們便只能夠“曲線救國”,採用一些間接方式來探測黑洞——比如觀察吸積盤和噴流。

  在某些時候,恒星量級(從3個太陽質量到100個太陽質量大小)的黑洞會存在於一個恒星周圍,將恒星的氣體撕扯到它自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,即吸積盤。

  當吸積氣體過多,一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,在磁場的作用下被沿轉動方向拋射出去,形成噴流。

  吸積盤和噴流兩種現象(見圖二)都因氣體摩擦而產生了明亮的光與大量輻射,所以很容易被科學家探測到,黑洞的藏身之處也就暴露了。

圖二:恒星級黑洞系統示意圖(圖片來源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html)
圖二:恒星級黑洞系統示意圖(圖片來源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html)

  理論很豐滿,現實很骨感。以我們的銀河係為例,根據理論推算,銀河系中應該存在著上千萬個恒星量級的黑洞,可到目前為止,我們只確認了20多個黑洞的存在,此外還有4、50個黑洞候選體。

  要最終真正確認一個天體是否為黑洞,我們還需要做出更多測量與計算。要探測一個從幾十萬個太陽質量到幾十億甚至上百億個太陽質量的超大質量黑洞,挑戰就更大了,科學家們為了確認銀河系中心黑洞Sgr A*的存在,著實費了不少力氣。

  望向銀河中心黑洞的視界面

  猶如在地球上看月球上的橙子

  發現黑洞已如此不易,給它拍照豈不是更難?

  從17世紀初人類發明望遠鏡至今,天文望遠鏡的口徑已變得越來越大,從最早的2.5釐米口徑,到目前最大的10米口徑光學望遠鏡,還有我國貴州的500米口徑射電望遠鏡,下一代更大口徑的望遠鏡也正在計劃或建設當中,這些望遠鏡無一不凝結了人類的智慧,甚至代表了人類社會的最高科技水平。然而,要想觀測遙遠黑洞,依靠目前任何單個望遠鏡都還遠遠不夠。因此,在過去10多年時間里,麻省理工學院(MIT)的科學家們聯合了其它研究機構的科研人員,開展了激動人心的“事件視界望遠鏡”項目,全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡將同時對黑洞展開觀測(見圖三)。

圖三:望遠鏡在全球分佈示意圖,紅點代表望遠鏡所在地(圖片來源:http://m.sohu.com/a/133852929_376569)
圖三:望遠鏡在全球分佈示意圖,紅點代表望遠鏡所在地(圖片來源:http://m.sohu.com/a/133852929_376569)

  這八兄弟北至西班牙,南至南極,它們將向選定的目標撒出一條大網,撈回海量數據,為我們勾勒出黑洞的模樣。

  這些望遠鏡分別是:南極望遠鏡(South Pole Telescope);位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array,ALMA);位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡(Atacama Pathfinder Experiment);墨西哥的大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope);位於美國亞利桑那州的(Submillimeter Telescope);位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope,JCMT);位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡(Submillimeter Array);位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。

  它們多數都是單一望遠鏡,比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡;也有望遠鏡陣列,比如ALMA望遠鏡是由70多個小望遠鏡構成。視界面望遠鏡此次觀測目標主要有兩個,一是銀河系中心黑洞Sgr A*,二是位於星系M87中的黑洞。

  之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標,是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的。其它黑洞因為距離地球更遠或質量大小有限,觀測的難度更大。Sgr A*黑洞的質量大約相當於400萬個太陽,所對應的視界面尺寸約為2400萬公里,相當於17個太陽的大小。

  哇,超大!!然而……地球與Sgr A*相距2萬5千光年(約24億億公里)之遙,這就意味著,它巨大的視界面在我們看來,大概只有針尖那麼小,就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。

  M87中心黑洞的質量達到了60億個太陽質量,儘管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠,但因質量龐大,所以它的視界面對我們而言,可能跟Sgr A*大小差不多,甚至還要稍微大那麼一點兒。

  8個望遠鏡同時看到2個黑洞

  每年只有10天窗口期

  要想看清楚兩個黑洞視界面的細節,視界面望遠鏡的空間解像度要達到足夠高才行。要多高呢?比哈勃望遠鏡的解像度高出1000倍以上。

  科學家們之前可以利用單個望遠鏡實現黑洞周圍恒星位置的測量,但是,相較於恒星與黑洞之間的距離尺度(1萬億公里),視界面的尺度太微小了(至少小10萬分之一倍),因此利用單個鏡面很難完成。這時候,為了增強空間解像度,我們就需要使用“干涉”技術了,即利用多個位於不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測,最後將數據進行相關性分析之後合併,這一技術在射電波段已相當成熟。

  在這種情況下,望遠鏡的解像度取決於望遠鏡之間的距離,而非單個望遠鏡口徑的大小,所以,事件視界望遠鏡的解像度相當於一部口徑為地球直徑大小的射電望遠鏡的解像度。

  在此事件視界望遠鏡進行觀測之前,天文學家們已經利用其中部分毫米望遠鏡對Sgr A*和M87星系中心黑洞進行了聯合觀測,並得到了一些令人興奮的結果:儘管沒能看清黑洞視界面,但已探測到了黑洞中心區域的輻射。

  為了增加空間解像度,以看清更為細小的區域,科學家們在此次進行觀測的望遠鏡陣列里增加了位於智利和南極的望遠鏡。要保證所有8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,從而達到最高的靈敏度和最大的空間解像度,留給科學家們的觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天時間(對於2017年來說,是在4月5日到4月14日之間)。

  在所有參與觀測的望遠鏡當中,坐落於智利、耗資140億美金的ALMA毫米望遠鏡(見圖四)是最為重要的一個,因為其靈敏度是目前單陣列當中最高的,但它的觀測時間也是最為寶貴的。

  限於ALMA望遠鏡滿滿的排班表上一系列擁擠的觀測計劃,此次黑洞視界面的觀測目前只計劃進行4-5天,其中兩個晚上講對銀河系中心黑洞Sgr A*進行觀測,剩下的時間將會對星系M87黑洞展開觀測。

圖四:位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠鏡
圖四:位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA)望遠鏡

  除了黑洞“芳容”

  這一觀測還能解答什麼問題

  給黑洞拍張照片不容易,“洗照片”更是耗時漫長。射電望遠鏡不能直接“看到”黑洞,但它們將收集大量關於黑洞的數據信息,用數據向科學家們描述出黑洞的樣子。

  對於之前的干涉儀來說,因為不同望遠鏡之間的距離不會太遠,不同位置的觀測數據通常可以實時比較、合併而後得到圖像,科學家們是有可能實時在屏幕上看到圖像的。但對於此次跨越南北半球的事件視界望遠鏡觀測,因其所涉及的站點區域非常廣闊,所產生的數據量將十分龐大。事件視界望遠鏡每一個晚上所產生數據量可達2PB (1PB=1000TB=1000000 GB),和歐洲大型質子對撞機一年產生的數據量差不多。考慮到有些區域(比如南極)的數據傳輸速度相對較慢,所以科學家們在觀測時不會對各個站點的數據進行實時相關分析,所以更不可能在屏幕上看到黑洞的實時圖像。

  在每一個觀測中心,科學家們將利用提前校對好的原子鐘時間,對每一個電磁波到達的時間進行分別標定和存盤,等到觀測結束之後再彙總比較。

  在觀測結束之後,各個站點收集的數據將被彙集到兩個數據中心(分別位於美國麻省Haystack天文台和德國波恩的馬普射電所)。在那裡,大型計算機集群將會對數據時間進行合併與分析,從而產生一個關於黑洞的圖像。這一分析所需的時間少則半年,長則一年。

  萬事具備,只欠東風。

  設備準備就緒之後,剩下一個非常重要的因素,就是天氣以及觀測時間了。因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大,要想事件視界望遠鏡順利觀測,需要所有8個望遠鏡所在地(從夏威夷到智利,從墨西哥到南極)的天氣情況都非常好。目前這些望遠鏡所在之處通常都是位於海拔較高,另外降雨量也是極少,所以全部晴天的概率其實非常高。

  當所有數據被合併,最終得到圖像時,包括我在內的天文學家們,希望看到這樣一副圖像:一個黑色的圓盤,被一個非常靠近黑洞視界面、很亮的光子圓環所圍繞;因為黑洞轉動的多普勒效應,光子圓環一側較亮,另外一側較暗(見圖五)。

圖五:視界面望遠鏡可能得到的計算機模擬黑洞圖像,因為黑洞的轉動效應,黑洞左側較亮
圖五:視界面望遠鏡可能得到的計算機模擬黑洞圖像,因為黑洞的轉動效應,黑洞左側較亮

  事件視界望遠鏡的觀測對於科學研究有著非常重大的意義。

  天文學家們希望能夠通過這一觀測結果,對愛因斯坦的廣義相對論做出最為嚴格的限製。與此同時,黑洞圖像將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產生並影響星系演化的。

  當然,這是科學家心中的理想圖景,實際得到的黑洞圖像可能要差很多。但無論最終的圖像如何,即便是只能夠看到幾個像素,此次視界面望遠鏡的觀測也將是人類黑洞觀測史上的重要一步。

  我們是何其幸運,將成為這宇宙中第一批親眼看到黑洞的碳基生物。

  來源:科學大院

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