終于不“黑”了！深度解讀人類首次拍攝黑洞圖像！

黑洞，終于不“黑”了!人類歷史上第一次，我們拍攝到了黑洞的圖像，從而首次讓我們直接目睹了這種奇異宇宙天體的外觀畫面。

▲全球各地8臺大型望遠(yuǎn)鏡組成的“視界望遠(yuǎn)鏡”(EHT)項目組在2019年4月10日北京時間21：00對外發(fā)布了歷史上第一張黑洞圖像。這是距離地球大約5400萬光年外的M87星系核心的一個超大質(zhì)量黑洞

美國哈佛大學(xué)史密松天體物理中心的天體物理學(xué)家謝潑德·多勒曼(Sheperd Doeleman)在今晚(北京時間2019年4月10日21：00)于美國首都華盛頓國家記者俱樂部召開的新聞發(fā)布會上說：“我們看到了原先以為看不到的東西。”與此同時，在世界各地六處地點(diǎn)，科學(xué)家們以四種不同語言同步進(jìn)行了發(fā)布會。

多勒曼是視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項目的主管，正是這臺“超級望遠(yuǎn)鏡”拍攝到了人類首張黑洞圖像。此次發(fā)布的黑洞圖像，觀測的是隱藏在橢圓星系M87核心位置的一個超大質(zhì)量黑洞。

最新的黑洞圖像令人震撼。但科學(xué)家們指出，這項工作更大的意義是它將對未來科學(xué)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。

哈佛大學(xué)物理學(xué)教授皮特·伽里森(Peter Galison)在上個月舉行的一次關(guān)于視界望遠(yuǎn)鏡的討論會上曾經(jīng)表示：“它將開啟一個全新的研究領(lǐng)域。而這正是最令我們感到興奮的地方。”

伽里森甚至將此次拍攝的黑洞圖像與17世紀(jì)英國科學(xué)家羅伯特·胡克(Robert Hooke)的手繪圖相提并論，當(dāng)時胡克通過手繪圖，向人們展示了在顯微鏡下，昆蟲和植物所呈現(xiàn)出的畫面。他說：“人們發(fā)現(xiàn)了一個新大陸。”

黑洞周圍物質(zhì)的強(qiáng)烈吸積作用以及在此過程中產(chǎn)生的高能噴射流模擬圖

一、和地球一樣大的超級望遠(yuǎn)鏡

視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項目是全球各地超過200名科學(xué)家在過去20多年協(xié)力工作的結(jié)果。這是一項真正的國際合作計劃，全球多個國家的科研機(jī)構(gòu)參與并為此提供了資金。

之所以叫這個名字，是取自黑洞本身的性質(zhì)，也就是科學(xué)家們對于黑洞邊界的定義：當(dāng)物質(zhì)抵達(dá)黑洞足夠近，強(qiáng)大的引力將讓一切都無法逃脫。這個距離所限定的邊界就稱作黑洞的“事件視界”，簡稱“視界”，一旦超越這個邊界，你將無可避免的被黑洞所吞噬。望遠(yuǎn)鏡就是以這個名字命名的，它的目標(biāo)正是要首次直接拍攝這個邊界的圖像。

哈佛大學(xué)黑洞研究計劃(BHI)創(chuàng)始主管，哈佛大學(xué)天文系主任艾維·勞艾伯(Avi Loeb)表示：“事件視界是終極版監(jiān)獄高墻。一旦你進(jìn)入，永遠(yuǎn)別想逃脫。”

正是因為這一點(diǎn)，我們永遠(yuǎn)不能奢望拍攝到黑洞內(nèi)部的畫面，除非你哪天自己進(jìn)到里面去。可是問題在于一旦你真的進(jìn)去了，你和你在里面拍的照片也是永遠(yuǎn)無法帶出來的。因此，此次視界望遠(yuǎn)鏡所拍攝的，其實也就是黑洞的黑色邊緣。正如視界望遠(yuǎn)鏡的一位科學(xué)家對媒體所說的：“我們正在目睹的是光的消失之處。”

視界望遠(yuǎn)鏡項目的拍攝目標(biāo)有兩個：一個是橢圓星系M87核心的超級黑洞，其質(zhì)量大約是太陽的65億倍;另一個是我們銀河系核心的黑洞，也就是所謂“半人馬A*”，后者的質(zhì)量相比M87核心的黑洞就是小巫見大巫，其質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的430萬倍。

這兩個黑洞都很難拍攝，因為它們的距離都非常遙遠(yuǎn)。半人馬A距離地球大約2.6萬光年，而M87則遠(yuǎn)在5400萬光年之外。

從我們的視角看過去，半人馬A的事件視界太小了，它的大小就像從地球上看放在月球表面的一個橘子，或者就像把一張報紙放在新疆，然后你在上海要想看清它上面寫的文字。

要想進(jìn)行這樣的觀測，任何現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡都做不到?？茖W(xué)家們必須另想辦法。最終，他們想到了辦法：將位于美國，西班牙，墨西哥，智利，甚至南極洲，以及其他更多地方的大型望遠(yuǎn)鏡連接到一起，組成一個直徑和地球直徑相當(dāng)?shù)某壨h(yuǎn)鏡!

由8臺望遠(yuǎn)鏡組合而成的事件視界望遠(yuǎn)鏡，簡稱“視界望遠(yuǎn)鏡”，其能力相當(dāng)于一臺口徑與地球直徑相當(dāng)?shù)某壨h(yuǎn)鏡

二、海量數(shù)據(jù)

視界望遠(yuǎn)鏡項目團(tuán)隊利用這臺虛擬超級望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了兩次連續(xù)觀測，每次持續(xù)大約兩周。第一次觀測是在2017年4月份，第二次則是在2018年。本次公布的圖像結(jié)果來自2017年的第一次觀測。

很多人會想知道，為何2017年的觀測要到今天才發(fā)布結(jié)果。原因是很好理解的。首先，視界望遠(yuǎn)鏡每晚上的觀測就會產(chǎn)生大約1PB(1PB=1024TB)的數(shù)據(jù)，想想你家1TB的移動硬盤可以存儲多少東西?現(xiàn)在你可以理解，要想將如此多的原始數(shù)據(jù)加工處理成最終圖像，將要經(jīng)歷怎樣的漫長過程。

視界望遠(yuǎn)鏡項目科學(xué)家迪米特里·薩爾提斯(Dimitrios Psaltis)來自美國亞利桑那大學(xué)，他表示：“要想通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸如此巨量的數(shù)據(jù)顯然做不到。因此我們不得不將數(shù)據(jù)存在硬盤里，然后叫國際快遞在各個機(jī)構(gòu)之間來回運(yùn)輸。這樣做要比通過網(wǎng)絡(luò)傳輸快多了!”

正是因為這樣或那樣的困難，極大遲滯了對數(shù)據(jù)的分析處理工作。舉個例子，組成視界望遠(yuǎn)鏡的成員單位中，還包括南極望遠(yuǎn)鏡。但是由于地處實在偏遠(yuǎn)，南極望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)直到2017年12月才被運(yùn)出南極洲，因為只有那時候南極大陸才足夠溫暖，可以讓飛機(jī)進(jìn)出運(yùn)輸貨物。

視界望遠(yuǎn)鏡主席多勒曼說，他們會感覺自己肩上負(fù)有某種“歷史使命”。他說：“如果你想宣布某個重大發(fā)現(xiàn)，比如拍攝黑洞的照片，你得拿出非常扎實的東西來。在我們的項目過程中，我們常常會感到那些前輩，像愛因斯坦，愛丁頓或者史瓦西在看著我們。因此我們反復(fù)檢查自己的工作，我們想要確保一切都百分百正確無誤。”愛因斯坦，愛丁頓和史瓦西都是歷史上頂尖的物理學(xué)家，為人類對于黑洞的認(rèn)識做出過開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

三、有什么意義?

視界望遠(yuǎn)鏡項目由另個主要目標(biāo)：其一是首次拍攝黑洞事件視界圖像，其二是幫助驗證愛因斯坦廣義相對論的準(zhǔn)確性，看看其是否需要作出任何修訂。

在愛因斯坦之前，人們對于引力的理解還停留在這就是一種神秘的不需要物體間直接接觸便可以發(fā)生作用的力的程度上。但愛因斯坦在他的廣義相對論中將引力描述為時空彎曲導(dǎo)致的自然效應(yīng)。大質(zhì)量天體，比如行星，恒星或者黑洞都會產(chǎn)生時空中出現(xiàn)彎曲，就像一個鉛球丟到柔軟的床墊上會引發(fā)床墊的凹陷一樣。這種時空凹陷一旦產(chǎn)生，其周圍的較小物體就自然會被引向中心，從而產(chǎn)生出“引力”的錯覺。

在過去的一個世紀(jì)里，廣義相對論經(jīng)受住了所有的嚴(yán)格檢驗，而此次視界望遠(yuǎn)鏡的觀測將提供再一次的全新檢驗機(jī)會，科學(xué)家們想要知道，愛因斯坦的理論在黑洞附近這樣的極端環(huán)境條件下是否仍然能夠與觀測事實相吻合。之所以可以做這樣的檢驗，是因為科學(xué)家們可以事先根據(jù)愛因斯坦的理論進(jìn)行計算，模擬出理論上應(yīng)當(dāng)觀測到的黑洞模樣，隨后將其與實際拍攝圖像進(jìn)行對比。

如果理論預(yù)測與觀測相符，那么再次證明愛因斯坦100%是正確的。而如果答案是否定的，那么我們或許就要對廣義相對論做出一定的修訂，使其與觀測事實保持相吻合。這就是科學(xué)向前推進(jìn)的方式。

今晚的發(fā)布會上發(fā)布的結(jié)果顯然證明了，廣義相對論仍然是正確的，它不需要做任何修訂：視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的M87星系核心的黑洞圖像與廣義相對論預(yù)測的結(jié)果完全吻合。

這樣的第一手?jǐn)?shù)據(jù)對于科學(xué)進(jìn)步而言至關(guān)重要，因為這些數(shù)據(jù)為理論改進(jìn)和計算機(jī)模擬實驗提供了真實的數(shù)據(jù)依據(jù)，這也正是視界望遠(yuǎn)鏡的最大貢獻(xiàn)之一。

勞艾伯指出：“從事物理學(xué)研究就是與自然界對話，我們通過與實驗結(jié)果的對比來檢驗我們的理論是否正確，因此實驗數(shù)據(jù)極為關(guān)鍵。”

當(dāng)然，這項最新成果對于黑洞研究本身也具有重要意義。視界望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果將幫助我們更好的了解物質(zhì)如何落入黑洞的過程。這種氣體吸積過程是產(chǎn)生強(qiáng)烈噴流和劇烈輻射的源頭，但科學(xué)界此前對其了解十分有限。

除此之外，事件視界的形態(tài)將可以讓我們了解這個黑洞是否存在自轉(zhuǎn)。正如加州理工學(xué)院科學(xué)家，美國宇航局觀測黑洞等高能天體的NuSTAR探測器首席科學(xué)家菲奧娜·哈里森(Fiona Harrison)所言：“我們此前已經(jīng)以非直接的方式推斷出了黑洞的自轉(zhuǎn)運(yùn)動。但對這一點(diǎn)進(jìn)行直接驗證，將會非常激動人心。”

視界望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)還將幫助我們了解物質(zhì)在黑洞周圍是如何分布的，并最終讓天文學(xué)家們弄清在長期時間尺度上，超大質(zhì)量黑洞是如何影響并塑造其所在星系的演化進(jìn)程的。

四、對普通人，意味著什么?

還有一個很多人關(guān)心的問題需要回答：對于那些不是天文學(xué)家的普通人，這項成果有何意義?

簡單來說，僅僅是直接對黑洞成像這樣一件事本身，或者說，直接看到黑洞圖像本身就將完全改變我們思考我們自身，以及我們在宇宙中地位的方式。正如1968年阿波羅8號拍攝的那張著名的照片“地球升起”。那張照片讓我們從遙遠(yuǎn)的月球軌道上回眸地球，我們所居住的星球。人們突然之間意識到地球的脆弱和珍貴。那張照片很快受到巨大關(guān)注，登上了世界各地媒體的頭條，甚至幫助觸發(fā)了上世紀(jì)中葉在西方興起的環(huán)境保護(hù)主義運(yùn)動。

與之相似的，直接目睹一個黑洞，或者更嚴(yán)格的說，看到黑洞的剪影，就像看到科幻小說中的場景變成現(xiàn)實，更何況，今晚我們所見的，還只是視界望遠(yuǎn)鏡項目所拍攝的圖像中的最初幾張而已，后面還會發(fā)布更多成果。

所有這些，對于整個人類的啟迪和激勵作用，是不可磨滅的。