“当你凝视着深渊时,深渊也在凝视着你。”若将尼采这句名言嫁接到天文学上,当科学家凝视黑洞时,却连一丝光也看不到……

然而,科学家却以恢弘的想象力、超凡的实验能力和惊人的毅力,组建起了直径相当于地球的“事件视界望远镜”。经过两年多不懈努力,终于获得了黑洞在明亮吸积现象和“宇宙火柱”喷流现象衬托下的首张“剪影”——如同一团温暖的烛光,温柔映衬出沉寂黑洞的阴影。

自爱因斯坦1916年提出黑洞理论预言以来,人类终于第一次得到了黑洞存在的铁证!

全球联手,拼接黑洞“剪影”

www.8455.com,由于强引力的存在,黑洞里连光都无法逃逸。因此,从理论上来说,人类根本不可能给黑洞主体拍照。不过,根据爱因斯坦广义相对论的预言,黑洞边缘存在着一种名为“黑洞视界”的交界带。在这个交界地带,周围气体会在黑洞强大引力下落入其中,并发出强烈辐射,产生明亮的吸积现象,同时还会喷发出强烈的物质和能量外流,呈现壮观的“宇宙火柱”喷流现象。由此,人类可通过对它的精细描绘勾勒出黑洞轮廓。

然而,要获得这样一幅黑洞“剪影”,难度超乎想象。黑洞研究专家、中国科学院上海天文台副台长袁峰介绍,直接观测黑洞需要极高分辨率的望远镜:如果是光学望远镜,则要为它配备一块直径达几公里的玻璃镜片;如果是红外望远镜,它的口径更要达到几十甚至上百公里;若是毫米波望远镜,其口径将相当于地球直径。

目前,人类技术磨不出几公里口径的玻璃镜片,但依靠甚长基线干涉测量技术,只要将在地球不同地区的毫米波射电望远镜联成网,就相当于组成了一座与地球直径相当的超大望远镜。

创建EHT是一项非常艰巨的工作,需要升级和连接部署八个现有的射电望远镜来组成全球网络,而这些望远镜分布在全球的高海拔地区,包括夏威夷和墨西哥的火山、美国亚利桑那州山脉、西班牙内华达山脉、智利阿塔卡马沙漠,以及南极点。

2017年4月,科学家将八台射电望远镜组成了巨大的EHT。“通过这些望远镜,我们可以接收到来自黑洞的辐射,如同拼图一般将这些微弱信号累积起来,最终就能获得一幅黑洞‘剪影’。”袁峰说,哪怕是2016年发现的引力波,也只是间接证明黑洞的存在,只有得到真实影像,才是黑洞真实存在的铁证!

黑洞“模特”:人马座A*星和M87

经过两年多数据处理,科学家们终于在北京时间4月10日21时,向全球揭开首张黑洞“剪影”。

这次公布的黑洞照片,拍摄的是银河系外的巨型椭圆星系M87中心黑洞。中国科学院上海天文台台长沈志强解释说,M87中心黑洞是目前已知的最大黑洞之一,距离地球5500万光年,相当于65亿个太阳质量。实际上,超大质量黑洞是相当小的天体,以至于几乎不能被直接看到。由于黑洞质量越大,黑洞阴影越大,M87中心黑洞从地球看过去是角直径最大的黑洞之一,因此成为EHT试图捕获的一个完美目标。

其实,每个星系中心都会有一个黑洞,这次科学家一共观测了六个黑洞,人马座A*星中心黑洞也是主要观测对象之一。沈志强告诉记者,银心黑洞距离地球仅约两万五千光年,其质量约为太阳的430万倍,是离地球距离最近的超大质量黑洞。

早在2005年,沈志强领衔的国际天文研究小组就在3.5毫米观测波长的精度下,获得了银心黑洞图像,研究结果发表于《自然》杂志。2018年,科学家获得银心黑洞1.3毫米波长精度的图像,由于参与的望远镜较少,其分辨率不如这次发布的图像高。

观测精度已经提升了不止十倍

“这次,EHT在1.3毫米波观测到了黑洞迄今为止最清晰的图像。”参与EHT项目的中国科学院上海天文台研究员路如森告诉记者,EHT的分辨率达到了20微角秒,这个精度意味着,你可以在纽约阅读一份巴黎街头摊开的报纸。

达到这个精度需要克服难以想象的困难。自上世纪六十年代,天文学家逐渐意识到黑洞可以被观测,就开始了几十年坚持不懈的努力。“从开始到现在,观测精度已经提升了不止十倍。”沈志强介绍,为了突破观测极限,科学家把望远镜造在海拔几千米的高山上,但观测精度又要求望远镜的反射面偏差不能超过60微米,克服温差和材料形变都是必须攻克的难关。而且,数据必须记录在充氦磁盘上;无法联网的八台望远镜必须用氢钟保持同步……

路如森曾在夏威夷麦克斯韦望远镜工作过,他对坚守的日子记忆犹新:稀薄的空气令人感到呼吸困难,24小时值守只分两班,每天还必须将沉重的磁盘扛上机器,不出差错地安装上去。“这的确是段艰苦的日子,但终于实现了我们的梦想!”

“现在才算初步看清了黑洞的样子。”沈志强说,接收到信息后,科学家还需对海量的信息进行处理,“比如南极的数据四月收了之后,直到九十月份才能取到。”科学家将大量时间用在比对、确认上,确保发布的图像准确无误。

在这场漫漫探索中,我国科学家作出了重要贡献。不少科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究。在2017年EHT全球联合观测期间,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜,共同参与了密集的毫米波VLBI协同观测,为最终的M87黑洞成像提供了总流量的限制。

“接下来,我们准备将观测波段提升到0.8毫米、345G赫兹。”沈志强说,未来随着格陵兰望远镜、基特峰望远镜等的加入,EHT的灵敏度将显著提高,“我们将把黑洞看得更加清晰。”