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事件視界望遠鏡合作組織提供 大量天文觀測數據已證實，在浩瀚的宇宙當中，有無數的黑洞神秘地藏身于各星系中。但人類卻從未直接“看”到過黑洞，并不知道它的真實模樣。 一個由200多位科研人員組成國際合作團隊——事件視界望遠鏡（EHT），即由八個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列，形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡，成功獲得了超大黑洞的第一個直接視覺證據。 4月10日，《天體物理學雜志通信》以特刊的形式通過六篇論文發表了這一重大結果。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞。它距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍 黑洞是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種天體，它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍被稱作黑洞半徑或稱事件視界。 黑洞的形成是因為恒星也會衰老死亡，一些大質量恒星在核聚變反應燃料耗盡時，內核會急劇塌縮，所有物質快速的向著一個點坍縮，最終坍縮成一顆黃豆大小的奇點，并形成一個強大的力場漩渦，扭曲周圍時空，也就是成為了黑洞。 然而，因為黑洞自身不發射和反射電磁波，儀器和肉眼都無法直接觀測到它。既然無法“看見”，那么天文學家怎么就知道它存在呢？中國科學院上海天文臺研究員沈志強表示：多年來主要是通過各種間接的證據，“一是恒星、氣體的運動透漏了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產生影響，于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在；二是根據黑洞吸積物質，也就是根據黑洞吃東西時發出的光來判斷黑洞的存在；三是可以看到黑洞成長的過程。” 迄今，通過間接的觀測，科學家們在銀河系發現和確認了20多個恒星級質量黑洞，并且預測宇宙中可能有上千萬個恒星級黑洞。沈志強說：“宇宙的每個星系中心都有一個超大質量的黑洞。我們居住的銀河系中心就有一顆，它的質量大約是太陽質量的400多萬倍。除此之外，銀河系還有很多恒星級黑洞。” 這些神秘的黑洞和宇宙的誕生和演化有何關系？它和所在的星系之間又有什么關系？它又和我們人類有什么關系，會不會對我們的生活產生影響？正是因為這些問題的吸引力，科學家們很想直接“看”到黑洞。 雖然黑洞本身不發光，但黑洞引起周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。在氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉化為光和熱，氣體將被加熱至數十億度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的如同新月一樣的光環。 廣義相對論預測了過這個“陰影”的存在以及它的大小和形狀，科學家們期望捕獲到黑洞“陰影”的圖像，用直接‘視覺’證據證實黑洞的存在。這就需要望遠鏡足夠靈敏，分辨率極高，也就是要求望遠鏡的口徑大——大得像地球大小一樣。然而，目前地球上已有的單個望遠鏡最大口徑也只有500米。 怎么辦？天文學家們搞強強聯合，把地球上現有的一些望遠鏡“組合”起來，形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡，利用甚長基線干涉測量技術捕獲黑洞。沈志強解釋：“利用多個位于不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測，最后將數據進行相關性分析之后合并。這一技術在射電波段已相當成熟。” 最終，科學家們選定了包括南極望遠鏡等8個亞毫米射電望遠鏡。盡管它們多數都是單一望遠鏡，比如夏威夷的JCMT和南極望遠鏡，再比如ALMA望遠鏡是70多個小望遠鏡陣列。這些分布于世界各地望遠鏡共同觀測一個目標，就構成了一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡。 由于黑洞事件視界的大小與其質量成正比，質量越大，事件視界越大。所以科學家們決定將近鄰的兩個黑洞作為主要目標：一個是位于人馬座方向的銀河系中心黑洞SgrA*，另一個則是位于射電星系M87的中心黑洞M87*。 Sgr A*黑洞的質量大約相當于400萬個太陽，所對應的視界面尺寸約為2400萬公里，相當于17個太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2萬5千光年（約24億億公里）之遙。M87中心黑洞的質量更為巨大，達到了60-65億個太陽質量。盡管M87中心黑洞與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠，但因質量龐大，所以它的事件視界對科學家們而言，可能跟Sgr A*大小差不多，甚至還要稍微大那么一點兒。 此前的一系列研究表明，觀測黑洞事件視界“陰影”的最佳波段約為1毫米，因為氣體在這個波段的輻射最明亮，射電波可以不被阻擋地從銀河系中心傳播到地球。在這種情況下，望遠鏡的分辨率取決于望遠鏡之間的距離，而非單個望遠鏡口徑的大小。因此，在此次的望遠鏡陣列里增加了位于智利和南極的望遠鏡。 據中國科學院上海天文臺研究員路如森介紹，“組裝”的事件視界望遠鏡“比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上。”不過，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。就2017年來說，就是4月5日到4月14日之間。除了觀測時間上的限制，拍攝對天氣條件要求也極為苛刻，因為大氣中的水對觀測波段的影響極大。由于8個望遠鏡均是位于海拔較高，降雨量極少地理位置，全部晴天的概率非常高。 北京時間2017年4月4日，事件視界望遠鏡啟動拍攝，將視線投向了宇宙。最后的觀測結束于美國東部時間4月11日。這期間，每一個射電望遠鏡都收集并記錄了來自于目標黑洞附近的射電波信號。在觀測結束之后，各個站點收集的數據被匯集到兩個數據中心（分別位于美國麻省Haystack天文臺和德國波恩的馬普射電所），由超級計算機通過回放硬盤記錄的數據，在補償無線電波抵達不同望遠鏡的時間差后，將所有數據集成并進行校準分析，從而產生一個關于黑洞高分辨率影像。經過長達兩年的“沖洗”，2019年4月10日，人類歷史上首張黑洞照片終于問世。 |
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