人類(lèi)史上第一張黑洞照片來(lái)了。

4 月 10 日 21 點(diǎn)，「」（Event Horizon Telescope, EHT）項(xiàng)目在全球六地布魯塞爾、圣地亞哥、上海、臺(tái)北、東京、和華盛頓同時(shí)召開(kāi)了發(fā)布會(huì)，正式公布了這項(xiàng)劃時(shí)代的重大成果。

此次項(xiàng)目由全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的 200 多位科研人員組成，是一個(gè)以觀測(cè)銀河系中央特大質(zhì)量黑洞為主要目標(biāo)的計(jì)劃，觀測(cè)核心就是銀河系中心黑洞 和 橢圓星系中心黑洞，此次發(fā)布的，就是后者的黑洞圖像。

▲ 上海新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

從照片可以看出，黑洞就像一個(gè)黑色球體，中心暗弱部分為「黑洞陰影」，而周?chē)沫h(huán)狀不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)是由于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和相對(duì)論性射束（beaming）效應(yīng)造成的。

因?yàn)楹诙床煌Ｔ谛D(zhuǎn)，讓它的圖片看起來(lái)就像是一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的發(fā)光漩渦。

而說(shuō)到黑洞，你腦海里可能出現(xiàn)的就是「幽暗不見(jiàn)底」和「萬(wàn)物皆可吸」。

首先，黑洞不是洞，是天體。作為最神秘的預(yù)言宇宙天體之一，黑洞質(zhì)量極大密度極高，周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生巨大的引力場(chǎng)，它附近所有物質(zhì)都難逃一吸，連宇宙中傳播速度最快的光，也無(wú)法在黑洞中完成出它的出色射程。

▲ 黑洞的藝術(shù)構(gòu)想圖

而黑洞周?chē)薮蟮膮^(qū)域，就被稱(chēng)為「事件視界」，只要跨過(guò)這個(gè)邊界，一切物理定律在此都會(huì)失效，「事件視界望遠(yuǎn)鏡」拍攝的就是兩個(gè)黑洞的這一部分。

1915 年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中最先預(yù)言了「黑洞」，1968 年，美國(guó)天文學(xué)家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名詞，雖然之后也出現(xiàn)過(guò)一些黑洞的間接影像可以證明它身處星河之中，但沒(méi)人見(jiàn)過(guò)黑洞的真正樣貌。

▲ 黑洞圖像的的模擬、測(cè)量、和重建，圖片來(lái)自：Katie Bouman and Jason Dexter

100 多年后的今天，人類(lèi)第一次能夠直接確認(rèn)黑洞的存在。

同時(shí)，科學(xué)家也表示，該圖像的特征和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論完全一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了它的正確性。

多么幸運(yùn)，我們成為了第一批目睹黑洞真容的人類(lèi)，也可能是宇宙中第一批親眼看見(jiàn)黑洞的碳基生物。

黑洞照片是怎么拍出來(lái)的？

從洪荒時(shí)代起，人類(lèi)就從未停止過(guò)對(duì)頭頂神秘星空的眺望。

2017 年 4 月，「事件視界望遠(yuǎn)鏡」開(kāi)始捕捉黑洞「事件視界」的清晰圖像。這次「事件視界望遠(yuǎn)鏡」的觀測(cè)行動(dòng)，可以說(shuō)是史上最難的星際觀測(cè)項(xiàng)目之一。

▲ 圖片來(lái)自：美國(guó)哈佛 – 史密森天體物理學(xué)中心網(wǎng)

首先，人馬座 A* 距離地球 2.6 萬(wàn)光年之遙，質(zhì)量約等于 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，視界半徑約 2400 萬(wàn)公里，而 M87 中心距離地球 5500 萬(wàn)光年，約等于 64 億太陽(yáng)質(zhì)量。按科學(xué)家的說(shuō)法，單給人馬座 A* 拍照的難度就差不多等于「給月球表面的一個(gè)蘋(píng)果拍照」。

其次，拍攝技術(shù)、拍攝時(shí)間、拍攝位置都讓項(xiàng)目研究變得更加舉步維艱。

于是，研究人員決定將分布在全球各地、橫跨南北半球的 8 個(gè)射電望眼鏡聯(lián)合起來(lái)，組成一個(gè)相當(dāng)于地球最大直徑的大型虛擬望眼鏡進(jìn)行觀測(cè)。

▲事件視界望遠(yuǎn)鏡的全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò). 圖片來(lái)自： Nature

這里用到的觀測(cè)技術(shù)，就是「甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量」（VLBI）。通過(guò)這種技術(shù)，能將多個(gè)望遠(yuǎn)鏡結(jié)合成一臺(tái)孔徑更大的望遠(yuǎn)鏡，讓距離不再成為限制。兩個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，就能共同觀測(cè)遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體以及河外星系。

因?yàn)楹诙幢旧硎强床灰?jiàn)的，這里的拍出的圖像，其實(shí)是因?yàn)楹诙丛凇赋缘簟股磉吅阈菚r(shí)，氣體撕扯會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)，加上部分吸積氣體也會(huì)沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向被拋出去形成噴流，這些氣體摩擦都產(chǎn)生了明亮的光線，再加上其他頻段的輻射，因此能捕捉到這些黑洞的發(fā)光現(xiàn)象。

▲黑洞和積吸盤(pán)的藝術(shù)想像圖 . 圖片來(lái)自：Wikipedia

當(dāng) 8 個(gè)射電望眼鏡聯(lián)合啟動(dòng)，VLBI 網(wǎng)將各射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)記錄在磁盤(pán)上，然后通過(guò)數(shù)據(jù)中心處理和分析，就能獲得觀測(cè)目標(biāo)的射電精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像，最高分辨率可為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)百倍。

這樣，我們就能看清「月球上的蘋(píng)果」了。

為達(dá)到此次拍攝的極高分辨率，包括中國(guó)科學(xué)院下屬的天文臺(tái)機(jī)構(gòu)和高校等全球 13 多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都參與進(jìn)來(lái)開(kāi)展研究、校準(zhǔn)工作。

而且，不止「拍」照片難，「洗」照片更難。

這不是咔嚓一下就能完成的攝影過(guò)程。上面提到，通過(guò) VLBI，要將事件視界望遠(yuǎn)鏡的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)集合、整理。跨越南北半球的龐大的天文臺(tái)資料，不能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，需要極大儲(chǔ)存容量的硬盤(pán)收集并郵寄到研究中心。

一次普通的 5 天觀測(cè)，整個(gè)整列就會(huì)產(chǎn)生約 7PB 數(shù)據(jù)（1PB=1000TB=1000000GB），裝滿 1000-2000 個(gè)硬盤(pán)。

為了防止地球大氣中的水汽阻礙數(shù)據(jù)接收，還要將觀測(cè)站擺在干燥高地，但常規(guī)硬盤(pán)無(wú)法抵抗低氣壓。墨西哥內(nèi)格拉火山多頂（海拔 4580 米）的望遠(yuǎn)鏡的 32 個(gè)常規(guī)硬盤(pán)里就有 28 個(gè)無(wú)法運(yùn)作，最后只好改裝成氦氣封裝硬盤(pán)。

▲ 圖片來(lái)自： EHT

同時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行后臺(tái)處理和分析海量數(shù)據(jù)也需要極長(zhǎng)時(shí)間，各個(gè)站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)都被匯集到美國(guó)和德國(guó)兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，計(jì)算機(jī)集群要對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間進(jìn)行合并和分析，缺失或模糊的部分，都需要科學(xué)家進(jìn)行拼圖完善。

單生產(chǎn)出這張黑洞照片，研究人員就用了 2 年左右時(shí)間。

雖然照片看起來(lái)依然是一片迷幻的「混沌」（待確認(rèn)），但這次歷史性的窺探，也是人類(lèi)史上一塊耀眼的豐碑。

照片的意義，不止讓人類(lèi)見(jiàn)到黑洞

這次的重大發(fā)現(xiàn)，不僅讓我們能接觸到黑洞的真實(shí)面貌，更重要的是，幫我們驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論和黑洞的物理性質(zhì)，包括黑洞真實(shí)質(zhì)量、直徑、自轉(zhuǎn)速度……

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍說(shuō)道：

黑洞周?chē)鷷?huì)有很多分流，分流對(duì)于整個(gè)星系，以及星系演化，都起著非常重要的作用。但我們不是特別清楚它是如何產(chǎn)生的，我們看到黑洞周?chē)臓顩r，能幫我們解決最基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題。

▲圖片來(lái)自：新華社采訪截圖

這只是一個(gè)開(kāi)始，未來(lái) EHT 還會(huì)帶來(lái)更多前所未有的科學(xué)成果。而這次黑洞的項(xiàng)目成果，無(wú)疑讓我們進(jìn)入了一個(gè)展示時(shí)間、空間、光和物質(zhì)深刻本質(zhì)的更加深邃的新視野。

▲ 參與 EHT 的中國(guó)科學(xué)家

EHT 也表示后續(xù)還會(huì)給更多黑洞進(jìn)行拍照及研究，人類(lèi)將能更深入地理解宇宙。

包括與黑洞正好相反的宇宙天體：白洞，它也是一個(gè)強(qiáng)引力源，但引力是從內(nèi)往外，任何物質(zhì)和光線都無(wú)法進(jìn)入其中。雖然白洞同樣是由理論推導(dǎo)而出的假想天體，但值得注意的是，當(dāng)黑洞和白洞連接，其中的那條特殊通道就是我們更為熟悉的——蟲(chóng)洞。

如果有一個(gè)宇航員掉入黑洞，被黑洞的潮汐力撕成原子構(gòu)成的涓涓細(xì)流，那它也很有可能在高速自轉(zhuǎn)的黑洞白洞中進(jìn)入多維空間隧道，也就是在蟲(chóng)洞之中，開(kāi)始一段新的太空旅行。

▲ 圖片來(lái)自：《星際穿越》

這也是 2014 年諾蘭經(jīng)典的《星際穿越》劇本來(lái)源，我們通過(guò)它首次在熒幕上見(jiàn)到了最接近科學(xué)真相的黑洞圖像「卡岡圖雅」。而上面迎接那個(gè)宇航員的或許也不是死亡，而是另一片新的宇宙。

一切都在不斷用實(shí)踐驗(yàn)證的途中，人類(lèi)骨子里總是沸騰著不安的血液，胸腔里跳動(dòng)著我們共同的未來(lái)?！干诜矇m，歸于星辰」或許將不再只是想象中的美好結(jié)局。

這也讓我們?cè)俅我庾R(shí)到：地球不該是人類(lèi)歸宿的唯一答案。

▲ 圖片來(lái)自：《星際穿越》

無(wú)論是星際旅行，還是移居火星，在目前地球資源開(kāi)始一步步走向枯竭的境地下，用環(huán)保和技術(shù)來(lái)延遲地球壽命必不可少，但也許這恰好是個(gè)完美的過(guò)渡時(shí)期，借此將人類(lèi)更重要的思維和力量投向群星璀璨的太空之中。

霍金在晚年時(shí)期也對(duì)人類(lèi)的未來(lái)憂心忡忡。他認(rèn)為地球和人類(lèi)正面臨著嚴(yán)峻的內(nèi)憂外患，除了人工智能和氣候問(wèn)題將導(dǎo)致人類(lèi)滅亡地球毀滅，外星人還可能隨時(shí)入侵地球……

他曾在 2016 年在劍橋大學(xué)的一次演講中表示：

為了人類(lèi)的未來(lái)，我們必須進(jìn)入太空。在不離開(kāi)這個(gè)脆弱的星球的情況下，我不認(rèn)為我們能活過(guò)下一個(gè) 1000 年。

雖然就算是黑洞，也可能有死亡的一天。

在霍金的黑洞熱力學(xué)中，提出了「黑洞蒸發(fā)」的理論。也就是說(shuō)，在非常遙遠(yuǎn)的未來(lái)，當(dāng)宇宙背景輻射溫度降到黑洞溫度以下，此時(shí)黑洞就會(huì)向外輻射物質(zhì)和能量，而黑洞本身則將慢慢消失。

當(dāng)然了，人類(lèi)可能根本等不到那一天，畢竟根據(jù)霍金的估算，一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng) 10 倍的黑洞，大概要花 10^{70} 年消失，而宇宙目前的年齡也只有 10^{10} 年。

不過(guò)至少現(xiàn)在活在地球上的我們，還能繼續(xù)保持熱忱、保持天真，在混雜著希望和絕望的文明里抗?fàn)幭嗖?，在有限的生命里探索著人?lèi)和宇宙無(wú)限的可能性。

雖然渺小，卻也偉大。

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