出品：《科學(xué)大家》
撰文：Sheperd Doeleman 天文學(xué)家，事件視界望遠鏡團隊負責(zé)人，哈佛大學(xué)教授
如何去拍攝一個連光線都無法逃脫的天體“黑洞”？設(shè)想盡管光線一旦進入黑洞便無法逃離，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，我們也可以去檢驗愛因斯坦的廣義相對論，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驗室。
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150萬光年。
究竟是什么在驅(qū)動這樣的能量輸出？要知道，這樣的噴流釋放能量大約相當(dāng)于200億顆超新星同時爆發(fā)。能夠做到的就只有一種可能性，那就是一個快速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，大量物質(zhì)正在快速被吞噬，并同時以接近光速的速度向兩側(cè)釋放噴流，穿越整個星系，而我所在的實驗室的目標(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在上下位置上顯示出來。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論和德國物理學(xué)家史瓦西的研究成果，黑洞的陰影面積是可以計算的，反過來，我們也可以通過這次觀測，來驗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的彎曲情況，我們可以看到單個光線會繞著事件視界轉(zhuǎn)圈。隨著黑洞周圍的高溫氣體產(chǎn)生的光線越來越多，大量光線會從黑洞后方照射過來。
上圖是我們現(xiàn)在對于黑洞外觀的最佳模擬，使用超級計算機，通過很長時間，占用了無數(shù)CPU算力才得到的模擬結(jié)果。在這個動圖中，你可以清楚的看到光子轉(zhuǎn)動的邊界。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。而要想對其進行觀測，我們將需要一個地球那么大的射電望遠鏡，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紙上的字。
目前，人類不可能造出那么巨大的望遠鏡，當(dāng)然，我們也不會那樣干。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鏡連接起來，用極為精準(zhǔn)的原子鐘校準(zhǔn)時間，開展同步觀測，其誤差每1000萬年不超過1秒。這樣就相當(dāng)于構(gòu)建了一臺口徑和地球直徑相當(dāng)?shù)木扌蜕潆娡h鏡。
每臺望遠鏡都會獲得海量數(shù)據(jù)，我們都是用硬盤來存儲，并通過快遞公司快遞硬盤的方式來傳輸數(shù)據(jù)，因為數(shù)據(jù)量太大，在線傳輸根本滿足不了需求。
舉個例子，想要從南極望遠鏡向數(shù)據(jù)中心在線傳輸它所采集的所有數(shù)據(jù)，要花費25年的時間，因此還不如等天氣好的時候，用飛機直接把硬盤送走，或許真的沒有比用波音747飛機直接運送硬盤更高效的數(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)所有望遠鏡在精準(zhǔn)的同一時間，對同一個黑洞進行了同步觀測。
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證，如果能得到同樣的結(jié)果，那么這個結(jié)果，我們才會采納。
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)，聚集在一個圓形的光子軌道邊界區(qū)域范圍內(nèi)的場景，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，這是因為你正在目睹以接近光速的速度，圍繞黑洞周圍運行的超高溫氣體物質(zhì)。當(dāng)它朝向我們的視線方向運動時，它看上去會更明亮；而在圖像的上方，情況反過來，物質(zhì)遠離你而去，它會變得暗淡一些。
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)運動情況，可以讓我們估算出黑洞轉(zhuǎn)動的自轉(zhuǎn)軸方位。我們也第一次有機會弄清楚，這個質(zhì)量高達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，其自身方位朝向是如何的，因而可以產(chǎn)生我們在開始時向大家所展示的那種強大噴流。
數(shù)十年來，我們只能通過計算機去做模擬，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。
這個黑洞到底有多大呢？以太陽系為例，你就可以看出這個黑洞到底有多大：整個太陽系都可以放進去。迄今飛的最遠的人造飛船旅行者1號飛船，也才剛剛飛到事件視界邊緣，在這個巨無霸黑洞面前，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)有的望遠鏡基礎(chǔ)上。選擇合適的位置能更好地提升觀測精度，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，我們計劃在未來3~4年進行設(shè)計規(guī)劃，并在第二期工程期間，開始嘗試自行建造許多新的臺站。這些臺站的望遠鏡可能不會太大，但我們計劃是靈活地使用它們。與此同時，我們的數(shù)據(jù)帶寬將提升4倍，達到256Gb/s。
隨著未來觀測波段的擴展，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)量或許會突破100PB。我想，專業(yè)人士看到這樣的數(shù)據(jù)量會發(fā)抖吧！如何存儲，如何運輸，如何處理這些數(shù)據(jù)將成為一個問題。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常基本的物理學(xué)問題。比如，現(xiàn)在的事件視界望遠鏡無法觀測到星系噴流中非常精細的一些擾動和起伏狀態(tài)，但是下一代事件視界望遠鏡就可以做到。如此，將可以極大地幫助我們加深對黑洞如何產(chǎn)生星系噴流的認識。
再比如，有了下一代事件視界望遠鏡，我們將可以嘗試拍攝黑洞的實時錄像，可以很方便地追蹤不同的高溫氣體團的運動軌跡。
在此之前我們驗證了愛因斯坦理論中關(guān)于光線在時空中彎曲的預(yù)言，而這一次，我們將可以檢驗愛因斯坦關(guān)于高溫氣體物質(zhì)在黑洞周圍的運動的預(yù)言。我們可以測定它圍繞黑洞公轉(zhuǎn)一周將需要多少時間，比如半個小時等，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。
另外，我們還可以嘗試將望遠鏡放到太空中去。在低地球軌道，甚至地球同步軌道上安置望遠鏡，從而進一步提升望遠鏡的整體性能。
首張黑洞照片的問世，離不開“事件視界望遠鏡國際合作組”的整體努力，這項工作是由來自超過20個國家和地區(qū)，60多家大學(xué)和研究機構(gòu)的超過200名科學(xué)家共同參與的結(jié)果。
在突破獎頒獎典禮現(xiàn)場，Sheperd Doeleman接受了新浪科技等媒體的采訪，以下為采訪實錄：
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。因此對于這個400億倍太陽質(zhì)量的黑洞大可不必擔(dān)憂。但這個黑洞確實會和銀河系共同演化，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，今天仍然是一個值得探討的問題。
問：一個黑洞的質(zhì)量需要有多大，才能向其內(nèi)部發(fā)射探測器而不至于在穿越事件視界時被引潮力撕碎？
回答：這是一個好問題。事實上，存在兩種不同類型的黑洞。一種叫做恒星質(zhì)量黑洞，它是在恒星死亡時誕生的。超新星爆發(fā)之后，可能產(chǎn)生一個很小的黑洞。這種黑洞的引潮力非?？植?，它會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，而另一種就是你會被拉伸成“面條”的地方。
問：黑洞周圍氣體物質(zhì)的轉(zhuǎn)動，以及黑洞本身的轉(zhuǎn)動情況會不會對成像工作構(gòu)成影響？
回答：很棒的問題。我們有一個理論，叫做“黑洞無毛”。也就是說，黑洞就是一個光溜溜的球，外表不會有任何其他東西。黑洞只有兩個基本參數(shù)：質(zhì)量和自轉(zhuǎn)。黑洞會自轉(zhuǎn)，我們堅信M87星系核心的黑洞正在自轉(zhuǎn)，因為我們觀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，與此同時黑洞本身也在自轉(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)動方向是相反的，黑洞也會帶著氣體物質(zhì)一起轉(zhuǎn)，改變后者的轉(zhuǎn)動方向。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。但這并不會對我們的成像工作帶來多大的幫助，因為我們已經(jīng)從我們拍攝的非常清晰的圖像中了解到了這一點。
問：為什么1毫米左右的波段成為最佳觀測選擇？
回答：在這場宇宙大堵車事件中，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，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，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，你們還會繼續(xù)用四種不同算法去做嗎？還是說既然已經(jīng)有了得到驗證的行之有效的方法，就按這個方法就好？
回答：這是一個很好的問題。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算法分別進行的模式，因為銀河系中心的黑洞質(zhì)量要比M87的那個黑洞要小1000倍以上，這也就意味著圍繞它轉(zhuǎn)動的速度也要快上1000倍。
氣體繞轉(zhuǎn)一圈的周期只要半個小時，而之前我們展示的M87核心的黑洞周圍的氣體，繞一圈則要一個月。因此一個晚上，銀河系中心的黑洞會轉(zhuǎn)動好多圈。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從你鏡頭前快速通過的人一樣，你洗出來的照片可能會是糊的。我們必須改進我們的算法，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：這其實是一個幾何問題。目前我們在和世界各地的人們接觸，尋找最佳的地點，以便可以填補進去，幫助完善我們的望遠鏡網(wǎng)絡(luò)。
只要是為了完善望遠鏡網(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，對于完善網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的意義，當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施情況等等，只要哪里我們覺得合適，我們就會去。
我們將會和世界各國合作，將這件事（事件視界望遠鏡）做成。將地球變成一臺望遠鏡的技術(shù)需要我們與各國開展廣泛的合作，未來，我認為中國會在其中占據(jù)一席之地。
問：那你認為中國將會發(fā)揮什么樣的作用？
回答：如果我們進入太空，那么中國在太空技術(shù)方面非常有經(jīng)驗，又或者我們未來建造新的望遠鏡，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)在用于觀測黑洞的望遠鏡一共有幾臺？未來還會再添加更多新的望遠鏡嗎？會在哪個國家？
回答：用于觀測黑洞，我們目前有8臺望遠鏡，它們位于6處不同的地點。而現(xiàn)在，我們正在3處不同地點建造新的望遠鏡，這樣一來我們就將擁有11臺望遠鏡了。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。因為錄像可以揭示黑洞演化的實時過程，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構(gòu)參與了EHT望遠鏡項目，共有16位中國科學(xué)家參與其中，是這樣嗎？
回答：事實上應(yīng)該是遠超過16個人的，我不知道具體數(shù)字，因為不斷有新的成員在加入我們。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)的天文臺參與支持設(shè)在夏威夷的詹姆斯·麥克斯韋望遠鏡（JCMT），而那臺望遠鏡對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)計劃進行觀測嗎？
回答：事件視界望遠鏡極其強大，事實上我們可以用它對很多不同的目標(biāo)進行觀測。舉一個例子，或許我們可以用它來觀察恒星的死亡過程。不過那將會是在未來，或許是明年，或者更晚的時間。
問：今年4月份的黑洞照片讓我們驚嘆不已，你有沒有預(yù)見到會有更加先進的技術(shù)，可以加速相關(guān)數(shù)據(jù)的處理過程？
回答：這真是個好問題！之所以我們之前花了兩年多時間，是因為我們一直在反復(fù)地進行各種核對。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，有更多的望遠鏡加入進來，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)，以及你有多少計算機算力可以被調(diào)配過來用于數(shù)據(jù)的分析。但我認為在未來，隨著我們拍攝黑洞的錄像，我們將會找到更好的技術(shù)來解決這個問題的。
問：你知道中國的FAST望遠鏡嗎？
回答：是的，F(xiàn)AST是一臺了不起的望遠鏡，但是對于事件視界望遠鏡而言，EHT項目因為頻段現(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”計劃（Breakthrough Starshot），這個計劃的目標(biāo)是飛向半人馬座α。你們觀測過飛向半人馬座α嗎？
回答：首先，那里并沒有可以讓我們觀測的目標(biāo)，因為那里并沒有巨型黑洞存在。因此我們觀測的目標(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”計劃。但是未來或許會有一個“突破視界”望遠鏡項目呢？我不知道。
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