第一張銀河系黑洞照片

編譯 李威

北京時間2022年5月12日，天文學家宣布，他們已經揭開了我們銀河系中心的神秘面紗，捕捉到了居住在那兒的“溫和的巨人”的第一張照片。這個巨人其實是一個超大質量黑洞，它是一扇時空之門，在門的后面，相當于400多萬個太陽的質量被送入了永恒，只留下它們的引力效應粗暴地扭曲了附近的時空。

這張在華盛頓等6處地點同時召開的新聞發布會上發布的照片展示了一個由射電包裹宇宙空間而形成的環形結構。當亞利桑那大學天文學家費里亞爾·厄澤爾（Feryal ?zel ）在華盛頓美國國家新聞俱樂部發布會上宣布發現了“第一張銀河系中心黑洞的直接照片”時，現場爆發了歡呼與驚喜之聲。她還補充說道：“照片里的黑洞看上去就像甜甜圈?！?/p>

厄澤爾博士是事件視界望遠鏡項目的成員，這個項目由來自13個機構的300多名科學家組成。他們管理著一張仍在不斷增長的全球望遠鏡網絡，這張網絡的觀測能力等效于一臺如同地球這樣大的望遠鏡。事件視界望遠鏡項目拍攝到銀河系中心黑洞的相關論斷于2022年5月發表在期刊《天體物理學雜志快報》（Astrophysical Journal Letters）上。

“20年前，我第一次知道這個黑洞，當時就愛上了它，并且之后一直在研究它的相關性質?！倍驖蔂柌┦空f，“但在此之前，我們一直沒能直接拍攝到它的照片?！?/p>

2019年，這支團隊還捕捉到了M87星系中心黑洞的照片。這張照片也是人類拍攝到的第一張黑洞照片，現在供奉在紐約現代藝術博物館里?！拔覀兘K于看到了這種‘不可見’天體?！惫?史密森天體物理研究中心天文學家謝潑德·多爾曼（Sheperd Doeleman）當時說。

天文學家認為，黑洞照片以及相關研究成果，可以讓我們更好地認識星系、星系演化，以及類星體的產生方式。類星體釋放的能量全宇宙都能觀測得到，最為關鍵的是，即便是我們銀河系這樣看似平靜的星系都能孕育這種蘊含巨大能量的天體。

1971年，劍橋大學天文學家馬丁·里斯（Martin Rees）和同事唐納德·林登-貝爾（Donald Lynden-Bell，2018年逝世）在一篇論文中預言，超大質量黑洞就是類星體的能量來源。最新的黑洞照片及相關成果無疑再次支持了這個結論。里斯博士稱這個新研究結果是“一項后端成就”，并且表示他“很喜歡相關計算機模型”。

厄澤爾博士稱，這張新照片與2019年照片的相似性證明了黑洞在之前那張照片中看起來像甜甜圈并非巧合。事件視界望遠鏡項目成員，哈佛大學物理學家、科學史學家彼得·加里森（Peter Galison）在一次采訪中特別指出，M87中心的黑洞質量相當于銀河系中心黑洞的1 500倍。按照天文學和物理學中的普遍情況，當某個量出現10倍以上的變化時，一切相關性質都會發生相應變化?！斑@兩個黑洞質量差距如此巨大，外觀仍如此類似，的確令人震驚?！奔永锷┦空f。

同樣來自哈佛-史密森天體物理研究中心的天文學家、事件視界望遠鏡項目成員邁克爾·約翰遜（Michael Johnson）在新黑洞照片的發布會上說：“這個結果也再次有力支持了愛因斯坦的廣義相對論?！?/p>

愛因斯坦的噩夢

廣義相對論認為，引力的本質就是物質與能量扭曲時間和空間產生的效應——就像你躺到床上后，床墊向下凹陷差不多——而黑洞就是這個理論意想不到的推演結果。

愛因斯坦的這個理論催生了全新的宇宙概念——時空可以顫抖、扭曲、撕裂、膨脹、旋轉，甚至永久消失在黑洞這種引力強到連光都無法逃脫的天體的腹中。

愛因斯坦本人也不愿接受黑洞的存在，但我們現在知道，宇宙里到處都是黑洞。其中有許多都是恒星走到生命末期向自身內部坍縮并進一步演化后留下的遺跡。

不過，還有更意外的情況?，F在看來，幾乎每個星系中心（我們的銀河系也不例外）都藏匿著一個質量相當于幾百萬乃至幾十億個太陽的黑洞。到目前為止，天文學家還不清楚這些超大質量黑洞究竟是怎么形成的。

加州大學洛杉磯分校天文學家安德莉亞·蓋茲

有意思的是，雖然黑洞連光都能吞噬，但它們卻是宇宙中最為明亮的天體。各種物質——氣體、塵埃、恒星碎片——在墜向黑洞時都會在稠密的電磁場漩渦中被加熱到幾百萬度的高溫。其中一部分物質會徹底落到黑洞內部，但還有一部分會在巨大的壓力和磁場作用下被噴射出來。

這樣的煙火表演就是類星體的成因，它們可以比正常星系亮幾千倍。20世紀60年代，類星體的發現促使天文學家和物理學家認真思考黑洞是否真的存在的問題。

如此龐大的虛無之物究竟是怎么產生的？這仍然是個謎。有沒有可能是大爆炸時期原初能量積聚的稠密時空褶皺？有沒有可能是宇宙誕生之初的失控恒星，它們不但自身發生了坍縮，而且還持續吸收了附近的能量與物質？

從1974年起，我們就知道銀河系中心存在一個叫作人馬座A*的微弱射電噪聲源。

馬克斯·普朗克地外物理研究所天文學家萊茵哈德·根策爾

包括加州大學洛杉磯分校安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）和馬克斯·普朗克地外物理研究所萊茵哈德·根策爾（Reinhard Genzel）在內的諸多天文學家通過跟蹤圍繞銀河系中心運動的恒星和氣體云軌道，計算得到結論：那里存在一個質量相當于414萬個太陽的天體，且其體積不過只是水星繞日軌道那么大。根策爾博士和蓋茲博士也憑借這項成果與羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）分享了2020年諾貝爾物理學獎。

人馬座A*體積那么小，但質量又那么大，除了黑洞之外，還能是什么呢？

追逐陰影

然而，證實人馬座A*就是黑洞完全就是另一碼事了。眼見才為實。

1967年，物理學家詹姆斯·巴?。↗ames Bardeen）提出，黑洞也并不是完全不可見，它可以以射電薄霧包裹的幽靈般的黑色圓圈的形式呈現在觀測者面前。

黑洞的引力會扭曲并放大自身的圖像，就人馬座A*的情況來說，會產生一個直徑大約8 000萬千米的陰影。根據華盛頓大學埃里克·阿高爾（Eric Agol）、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所海諾·法爾克（Heino Falcke）和亞利桑那大學福爾維奧·梅里亞（Fulvio Melia）在2000年的計算結果，從地球上觀測這個陰影，就像觀測月球上的一個橙子那么大。

自那之后，天文學家就一直在努力提高望遠鏡的靈敏度，以分辨這個橙子大小的陰影。問題在于，星際空間中的離子化電子和質子會散射射電波，形成一片足以模糊波源細節的光暈?！澳歉杏X就像是透過淋浴房的玻璃看外面?！倍酄柭┦孔罱邮懿稍L時說。

為了更深入地觀測黑洞陰影，研究人員就需要把射電望遠鏡的觀測波段調到更短的波長上，以穿透這層迷霧。歸根到底，他們需要一架更大的望遠鏡。

2019年4月，事件視界望遠鏡項目團隊收獲了第一次重大勝利，也即拍到了這張M87中心黑洞的照片

2009年，多爾曼博士及其同事組建了事件視界望遠鏡項目。所謂“視界”就是指黑洞附近的一種邊界，一旦越過了這條邊界，就再也不可能掙脫黑洞的引力束縛返回了。時至今日，全球已經有11臺射電望遠鏡參與了這個國際合作項目。

2019年4月，事件視界望遠鏡項目團隊收獲了第一次重大勝利，也即拍到了M87中心黑洞的照片。2021年，項目組成員進一步提煉數據后發現，這個黑洞周圍還有磁場環繞，看上去就像一根根細長步槍槍管，將物質和能量泵入虛空中。

2017年，事件視界望遠鏡項目成員為拍攝M87照片開展了一輪觀測。這次觀測也記錄了人馬座A*的數據，但用了更多的望遠鏡陣列——8個，而非7個——因為這個團隊想要在這次觀測中納入一臺看不到M87的南極望遠鏡。

M87中心的黑洞向全宇宙播送著射電“信號”。相較之下，我們銀河系中心的這個黑洞確實只能算是一位“溫和的巨人”?！叭绻覀冦y河系中心的這個黑洞是一個人，”約翰遜博士這樣評價人馬座A*，“那么，與他的同類相比較，他的食量大概就相當于每幾百萬年才吃一粒米?！?/p>

人馬座A*黑洞同樣在貪婪地吞噬一切，也同樣明亮，但“效率低下”。約翰遜博士補充說：“它的質量雖然是太陽的400多萬倍，但釋放的能量卻只有太陽的幾百倍。要不是因為它就在我們自家的銀河系里，壓根觀測不到它?！?/p>

人馬座A*黑洞之所以比M87中心黑洞更難觀測，還有另外一個原因：由于人馬座A*黑洞的質量和尺寸都不到M87中心黑洞的千分之一，前者的演化速度要快一千多倍，于是，它的外觀差不多每5分鐘就會發生變化。厄澤爾博士稱“它一直在滋滋作響”。

相較之下，M87中心的黑洞在長達一個星期的觀測周期中都幾乎沒有什么變化?！熬拖穹鹱嬉粯?，只是端坐在那兒?！倍酄柭f。

“因此，觀測人馬座A*的時候，哪怕時間只是一個晚上，在我們收集數據的時候，它也在不斷變化。于是，就算你鏡頭蓋一刻都沒合上，最后拍到的也只是一團模糊?！?/p>

發布會上，事件視界望遠鏡項目成員、加州理工學院計算機科學家凱瑟琳·布曼（Katherine Bouman）稱，從高達3.5拍字節的海量觀測數據中篩選、制作人馬座A*照片，那感覺就像是“聽一首許多琴鍵缺失的鋼琴彈奏的曲子”。

事件視界望遠鏡項目的望遠鏡成員借助一種叫作甚長基線干涉的技術一一配對、互相結合，就像人群中的所有個體都互相握手致意一樣。這個網絡中的望遠鏡越多，“握手”的次數就越多，可以互相比對的數據就越多。接著，計算機算法就可以介入，補充缺失的數據，并且模擬黑洞可能的結構。

哈佛-史密森天體物理研究中心天文學家謝潑德·多爾曼（右）和同事在操作位于墨西哥的大型毫米波望遠鏡，照片攝于2015年。大型毫米波望遠鏡是事件視界望遠鏡項目的成員之一

大部分模擬結果都是一個水星繞日軌道大小的環，與愛因斯坦廣義相對論和根策爾博士以及蓋茲博士的觀測結果相符。

“我們的發現證實了100多年前的預言，著實令人驚奇，”事件視界望遠鏡項目成員、新澤西普林斯頓高等研究院天體物理學家利亞·梅德羅斯（Lia Medeiros）說。

然而，這個成果也并非盡善盡美。按照計算機模擬的結果，人馬座A*這個黑洞應該比觀測結果更“喧鬧”、更“活躍”一些?！翱隙ㄈ笔Я艘恍〇|西?！毖芯亢诙春托窍敌纬傻囊敶髮W天文學家普里亞·納塔拉詹（Priya Natarajan）說。

多爾曼的下一個目標是繼續擴大事件視界望遠鏡項目的望遠鏡網絡，使其囊括更多射電望遠鏡陣列，形成足夠大的天區覆蓋范圍，以便獲取一段銀河系中心黑洞的影片。要想實現這個目標，最大的挑戰是必須根據在黑洞周圍運動的物質描繪出黑洞的隱藏結構。

諾貝爾獎得主、加州理工學院研究黑洞的專家基普·索恩（Kip Thorne）說，他正熱切地期盼看到描繪黑洞周圍氣體的詳實影片：“具有重大意義的新理論經常在這樣的研究中出現，有時還會有些意想不到的驚喜?！?/p>

哥倫比亞大學巴納德學院引力理論專家揚娜·列文（Janna Levin，她并不是事件視界望遠鏡項目的成員）也同樣認為這樣的研究成果意義重大且信息量豐富。她半開玩笑地說：“我可還沒對黑洞照片感到厭煩?！?/p>

資料來源 The New York Times