昨天，天文學(xué)家公布了史上首張黑洞照片。
在苦苦追尋了 200 年后，太空中最神秘、最危險(xiǎn)的“宇宙陷阱”，終于向人類(lèi)展示了自己的真面目。
在這張略顯模糊的照片上，一個(gè)塵埃和氣體構(gòu)成的光環(huán)勾勒出了巨大的黑洞輪廓，這些塵埃和氣體正穩(wěn)定地“喂養(yǎng)”著光環(huán)正中不斷膨脹的怪物——M87 星系中心的超大黑洞。
這顆黑洞距離地球 5500 萬(wàn)光年，質(zhì)量比 65 億顆太陽(yáng)還重，是人類(lèi)能觀測(cè)到的第二大黑洞。
這張黑洞照片和之前人類(lèi)幻想的宇宙圖景如此不同。比起《星際穿越》里壯麗的黑洞“卡岡圖雅”，真實(shí)的黑洞更像是《魔戒》中的索倫之眼，讓人們意識(shí)到黑洞的本質(zhì)。
愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)言了黑洞的存在——當(dāng)巨大的質(zhì)量被高度壓縮時(shí)，它產(chǎn)生的引力會(huì)把一切物體吸入其中，甚至連光線(xiàn)也無(wú)法逃脫。
根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，質(zhì)量、空間、和時(shí)間都會(huì)在黑洞中心的奇點(diǎn)歸零。
理論已經(jīng)證實(shí)了黑洞存在的可能性，黑洞活動(dòng)產(chǎn)生的吸積盤(pán)和噴流也不斷地被觀測(cè)到，三年前，人類(lèi)還首次捕捉了兩個(gè)黑洞合并時(shí)發(fā)出的引力波。但這些證據(jù)都是間接的，直到這張照片的誕生，人類(lèi)才第一次獲得了黑洞存在的直接證據(jù)。
如何捕獲宇宙中最黑的黑？感謝光假設(shè)一個(gè)黑洞周?chē)諢o(wú)一物，那我們將看到宇宙中最黑的黑。因?yàn)楹诙礃O端的質(zhì)量和密度，就連電磁波也無(wú)法逃脫黑洞的捕獲。但幸運(yùn)的是，黑洞的運(yùn)動(dòng)會(huì)留下痕跡。
當(dāng)黑洞“吃東西”時(shí)，黑洞會(huì)吸附附近的氣體，形成一個(gè)混雜著高溫氣體和塵埃的圓環(huán)，也就是吸積盤(pán)。在黑洞吞噬質(zhì)量時(shí)，盤(pán)中不斷旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，以光輻射的形式散失出來(lái)，無(wú)比耀眼。
除了吸積盤(pán)，更容易被觀測(cè)到的黑洞活動(dòng)是噴流。黑洞“吃不下”的時(shí)候，有一部分氣體會(huì)在被黑洞捕獲前，在磁場(chǎng)作用下被甩出去，形成一股容易被觀測(cè)到的發(fā)光氣流，這就是噴流。這次照片的主角 Ｍ87 黑洞就擁有一道長(zhǎng)達(dá) 5000 光年的噴流。
在這些“勉強(qiáng)逃脫”的氣體和塵埃發(fā)出的光芒里，漆黑一團(tuán)的地方，就是黑洞的事件視界。一旦越過(guò)了事件視界，所有的世界線(xiàn)都將在此終結(jié)，視界中任何的事件皆無(wú)法對(duì)視界外的觀察者產(chǎn)生影響。
因此，黑洞內(nèi)部是什么我們永遠(yuǎn)也無(wú)法知道，只能通過(guò)黑洞周?chē)墓廨椛鋪?lái)觀察它。
口徑和地球一樣大的虛擬望遠(yuǎn)鏡盡管黑洞的體積如此之大，光輻射如此顯眼，但真正觀測(cè)黑洞卻難上加難。
目前為止，天文學(xué)家確定的黑洞只有 20 多個(gè)，從其中找一個(gè)合適的拍攝對(duì)象，選擇就更有限。就連視界面和十幾個(gè)太陽(yáng)差不多大的 M87 中心黑洞，由于和地球距離過(guò)遠(yuǎn)，看起來(lái)也不過(guò)是針尖大小。
用科學(xué)家的話(huà)來(lái)說(shuō)，觀測(cè) M87 就像是“在地球上觀察月球表面的一顆橘子”，或者是“在紐約觀測(cè)一粒位于洛杉磯的高爾夫球上的凹槽”。
為了看到這么“小”的黑洞，我們就需要更大、分辨率更高的望遠(yuǎn)鏡。然而目前，就連口徑達(dá)到 500 米的、地球上最大的射電望遠(yuǎn)鏡 FAST 都無(wú)法達(dá)到這個(gè)要求。
通過(guò)計(jì)算，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，想要看清 M87 黑洞，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的口徑竟然要和地球一樣大！
盡管制造和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡是不可能的了，但科學(xué)家并沒(méi)有因此放棄。聯(lián)合世界各地的八臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，一臺(tái)虛擬口徑和地球一樣大的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（簡(jiǎn)稱(chēng) EHT）啟動(dòng)了。
利用甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉技術(shù)（VLBI），相隔數(shù)十萬(wàn)公里的射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)的互相協(xié)調(diào)，能夠同時(shí)觀測(cè)同一目標(biāo)并記錄下數(shù)據(jù)。這些望遠(yuǎn)鏡有的位于南極點(diǎn)，有的位于夏威夷，有的位于西班牙，為了使八個(gè)望遠(yuǎn)鏡能同時(shí)觀測(cè)到目標(biāo)黑洞，必須保證這八個(gè)地點(diǎn)的天氣狀況統(tǒng)統(tǒng)良好、且面對(duì)黑洞。
這樣一來(lái)，一年中可以用于拍攝的窗口期只剩下大約十天（在拍攝 M87 時(shí)為2017年4月）。
然而這十天過(guò)后，“沖洗照片”的漫長(zhǎng)旅程才剛剛開(kāi)始。
十天里，EHT 產(chǎn)生了大約 5PB（1PB=1024TB）的數(shù)據(jù)量，根本不可能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸。因此，各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)只能把存有數(shù)據(jù)的硬盤(pán)運(yùn)往美國(guó)麻省理工大學(xué)和位于德國(guó)的馬普射電天文研究所，由超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
據(jù)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)學(xué)者稱(chēng)，最終，存儲(chǔ) 8 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的硬盤(pán)重量足有半噸重。
然而，這臺(tái)“口徑和地球一樣大”的望遠(yuǎn)鏡只有八個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，有限的觀測(cè)點(diǎn)造成了大量的數(shù)據(jù)缺失。
想從這些缺失的數(shù)據(jù)中還原出一張黑洞的照片，就好像在一架琴鍵壞掉的鋼琴上彈奏樂(lè)曲。盡管音符殘缺不全，但所有的音符都會(huì)導(dǎo)向同一個(gè)曲調(diào)，隨著音符不斷增加，整個(gè)音樂(lè)的曲調(diào)也就越來(lái)越明晰。
為了幫助大家理解照片的還原過(guò)程，EHT 還制作了一段音頻。
即便如此，由八個(gè)望遠(yuǎn)鏡傳回的數(shù)據(jù)拼湊出的黑洞圖像還是有無(wú)限的可能性。為了減少干擾，EHT 項(xiàng)目的科學(xué)家們利用算法降低了“長(zhǎng)相不像黑洞”的圖片的權(quán)重，留下符合理論中圓形有環(huán)的黑洞形象的照片，這也就是為什么我們得到的黑洞寫(xiě)真如此模糊，宛如“一灘咖啡漬”。
換句話(huà)說(shuō)，我們?nèi)晕粗?M87 黑洞的真容，我們只是在理論指導(dǎo)下，利用算法還原了殘缺的圖像，拼出了最接近真實(shí)黑洞的照片。
目前，對(duì) M87 的觀測(cè)數(shù)據(jù)的解析仍在進(jìn)行，而在之后也會(huì)有更多的觀測(cè)點(diǎn)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參與 EHT 計(jì)劃，其中包括影像解析度提高了十倍的格陵蘭射電望遠(yuǎn)鏡，和北半球最大的天文觀測(cè)點(diǎn)基特峰國(guó)家天文臺(tái)。
相信不久的未來(lái)，我們就會(huì)獲得更清晰完整的黑洞照片。
也許我們有生之年都無(wú)法離開(kāi)地球表面，但至少在所有人都把目光投向黑洞的那一刻，我們短暫地共享了 5500 萬(wàn)光年外那個(gè)正在消亡的世界。這是唯有宇宙才能帶給我們的震撼和浪漫。
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