2018年我們?nèi)〉昧嗽S多突破性的進展，但還有許多基本的大問題依然困擾著我們。2019年，有許多值得期待的科學(xué)事件，但最值得期待或許還是我們即將看到黑洞事件視界的第一張圖片。

隨著時間的流逝，人類積累的知識總量只會不斷增加。2015年初，人類還從未探測到引力波；而現(xiàn)在，我們已經(jīng)探測到了11個，預(yù)計2019年可能還會發(fā)現(xiàn)數(shù)百個。在20世紀(jì)90年代初，我們不知道太陽系外是否有行星；今天，我們知道有成千上萬顆這樣的星球，其中一些幾乎可以被認(rèn)為是與地球類似的。

我們已經(jīng)找到了標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子；我們發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹；我們已經(jīng)確定了宇宙中存在多少星系。但2019年，一件前所未有的新的事情將會發(fā)生：我們將首次描繪出黑洞的事件視界。所有的數(shù)據(jù)都已就位，剩下的只是時間問題。

○ 這里模擬的是銀河系中心的黑洞，這是我們從地球視角能看到的最大黑洞。2019年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）將首次拍攝到這顆銀河系中央黑洞的事件視界的樣子。白色圓圈表示黑洞的史瓦西半徑。| 圖片來源：UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSIT?T HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER

一旦知道要尋找什么，黑洞是相當(dāng)容易被探測到的物體。這似乎有違直覺，因為黑洞本身不發(fā)光，但它們確實有三個確鑿無疑的特征，使我們滿懷信心地確定它們就在那里。

• 黑洞在非常小的空間中產(chǎn)生巨大的引力——空間的扭曲/彎曲。如果我們能觀測到大而致密的質(zhì)量的引力效應(yīng)，我們就能推斷出黑洞的存在，并有可能測量它的質(zhì)量。

黑洞強烈影響著它們周圍的環(huán)境。它附近的任何物質(zhì)不僅會感受到強烈的潮汐力，而且會加速和升溫，導(dǎo)致它從事件視界外發(fā)出輻射。當(dāng)我們探測到這種輻射時，我們可以重建為之提供能量的物體的屬性，而這通常只能用黑洞來解釋。

○?黑洞的引力是如此的強大，以至于連光進入到它的掌控范圍都無法逃脫。黑洞的基本結(jié)構(gòu)包括了隱藏在一個事件視界內(nèi)的奇點。在事件視界內(nèi)，逃逸速度（V逃逸）超過了光速（c），因此一旦物體落入就永遠被困住了。

• 黑洞可以彼此旋進，并最終合并在一起，導(dǎo)致它們在短時間內(nèi)釋放出可探測到的引力波。這只能用引力波天文學(xué)這項新科學(xué)來探測（詳見《時空的秘密》）。

然而，事件視界望遠鏡（EHT）的目標(biāo)是比這些方法更進一步。不像以上的三種手段，它并不是通過測量來間接推斷黑洞的性質(zhì)，而是直擊核心——拍攝黑洞事件視界的圖像。這樣做的方法簡單而直接，但從技術(shù)角度而言，這直到最近才成為可能。原因是兩個在天文學(xué)中通常密切相關(guān)的重要因素的結(jié)合：分辨率和光收集。

○ 宇宙中最遠的X射線射噴射來自類星體GB 1428，從地球上看，其距離和年齡與類星體S5 0014+81差不多，而后者可能是宇宙中已知最大黑洞的棲居地。這些遙遠的龐然大物被認(rèn)為是由合并或其他引力相互作用激發(fā)的，但只有質(zhì)量與距離比最大的黑洞才有機會被事件視界望遠鏡分辨。| 圖片來源：X-RAY: NASA/CXC/NRC/C.CHEUNG ET AL; OPTICAL: NASA/STSCI; RADIO: NSF/NRAO/VLA

因為黑洞是如此致密的物體，我們必須達到極高的分辨率。但是因為我們尋找的不是光本身，而是光的缺失，我們需要非常仔細(xì)地收集大量的光來確定事件視界的陰影究竟在哪里。

○ 超大質(zhì)量黑洞的周圍會形成一個由氣體、塵埃和恒星碎片組成的吸積盤。吸積盤的朝向是面朝上（左邊兩張圖）還是邊緣朝上（右邊兩張圖），會極大地改變黑洞在我們看來的樣子。| 圖片來源：'TOWARD THE EVENT HORIZON—THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER', CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013)

傳統(tǒng)上，分辨率更高的望遠鏡和光收集能力更好的望遠鏡應(yīng)該是同一臺望遠鏡。望遠鏡的分辨率是由穿過望遠鏡的光的波長數(shù)量決定的，所以口徑更大的望遠鏡有更高的分辨率。

同樣的道理，能收集到的光的量是由望遠鏡口徑大小決定的。任何撞擊望遠鏡的光子都會被收集起來，所以望遠鏡的口徑越大，收集光的能力就越強。

分辨率一直是個重大的限制因素。黑洞的外觀大小與其質(zhì)量成正比，但與它離我們的距離成反比。要想從我們的角度看到最大的黑洞——位于銀河系中心的人馬座A*——需要一個大約相當(dāng)于地球大小的望遠鏡。

○ 在銀河系核心的超大質(zhì)量黑洞附近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量恒星。除了這些恒星和我們發(fā)現(xiàn)的氣體與塵埃，我們預(yù)計，在距離人馬座A*短短幾光年的范圍內(nèi)，將會有超過10000個黑洞存在，但直到2018年初，要找到它們都很困難。要探測到中央黑洞是一項只有事件視界望遠鏡才能完成的任務(wù)。| 圖片來源：S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP

顯然，我們沒有足夠的資源來制造這樣的設(shè)備！但我們還有下一個優(yōu)勢：建造一系列望遠鏡的能力。當(dāng)我們有一個望遠鏡陣列時，光收集能力依然只是所有單個望遠鏡的總和；但在精巧的設(shè)計下，望遠鏡陣列的分辨力卻是驚人的。

換句話說，光收集確實受到望遠鏡尺寸的限制。但是，如果我們使用長基線干涉測量技術(shù)（或者它的同類，甚長基線干涉測量技術(shù)，VLBI），那么分辨率可以通過使用彼此間距很大的望遠鏡陣列大大提高。

事件視界望遠鏡是一個由15-20個望遠鏡組成的網(wǎng)絡(luò)，這些望遠鏡分布在地球上許多不同的大陸上，從南極洲到歐洲、南美洲、非洲、北美洲、大洋洲，以及太平洋上的一些島嶼。總而言之，陣列中距離最遠的望遠鏡相距12000公里。這轉(zhuǎn)化為分辨率就是15微角秒（μas），如果一只蒼蠅位于400000公里之外的月球上，那么它看起來就是這么小。

○ 散布在全球的一系列望遠鏡組成了事件視界望遠鏡，可以提高成像能力。從2011到2017年的數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠讓我們現(xiàn)在構(gòu)建出人馬座A*的圖像，或許還有M87中心的黑洞的圖像。| 圖片來源：APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN

當(dāng)然，月球上可能沒有蒼蠅，但是宇宙中確實存在角距大小超過15μas的黑洞。事實上，有兩個這樣的黑洞：銀河系中心的人馬座A*和M87星系中心的黑洞。M87中心的黑洞位于5000萬到6000萬光年之外，但它的質(zhì)量約66億個太陽質(zhì)量，比我們銀河系中心的巨型黑洞大1000多倍。

○ 這是從地球上看到的第二大的黑洞——位于M87星系中心的黑洞的三張圖像。盡管它的質(zhì)量有66億個太陽質(zhì)量，卻比人馬座A*的距離還要遠2000多倍。它或許可以被EHT探測到，或許不能，但如果宇宙是善良的，我們終究會得到一個圖像。| 圖片來源：TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE

事件視界望遠鏡的工作原理是，利用大量的射電望遠鏡同時觀測這些黑洞，這使我們能夠重建一個超高分辨率的圖像，無論觀測的是什么物體，只要收集到足夠的光來觀測它。以前，許多天文臺已經(jīng)證實了這個概念，例如大型雙筒望遠鏡（Large Binocular Telescope），它成功地拍攝到了木星的衛(wèi)星——木衛(wèi)一（Io）上火山爆發(fā)的圖像。

因此，讓事件視界望遠鏡工作的關(guān)鍵是，確保我們收集到足夠的光線來觀察黑洞事件視界投射出的陰影，同時成功地對來自黑洞周圍和后面的光進行成像。黑洞會加速物質(zhì)，帶電粒子的加速不僅會產(chǎn)生磁場，如果帶電粒子在磁場的存在下加速，還會產(chǎn)生輻射。

最安全的選擇是查看頻譜的射電部分，也就是能量最低的部分。所有加速物質(zhì)的黑洞都應(yīng)該會發(fā)射射電波，我們從銀河系中心和M87星系的中心都看到過它們。區(qū)別在于，在新的、高分辨率望遠鏡下，我們應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)事件視界本身所在處的“空白”。

能夠構(gòu)造這些圖像的技術(shù)革命來自于ALMA：阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。66臺射電望遠鏡組成一個難以置信的網(wǎng)絡(luò)，所有的射電望遠鏡本身都是巨大的，通過測量這種長波段的光（無線電波）來揭示前所未有的天文細(xì)節(jié)。

○ 阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）與它頭頂?shù)柠溦軅愋窃啤Ｗ鳛锳LMA的一部分，大量彼此靠近的望遠鏡有助于創(chuàng)建一些區(qū)域的許多最詳細(xì)的圖像，而少量較遠的望遠鏡有助于在最明亮的位置磨合細(xì)節(jié)。| 圖片來源：ESO/C. MALIN

阿塔卡馬已經(jīng)向我們展示了新形成的恒星周圍的塵埃盤的圖像，以及在內(nèi)部形成的嬰兒行星（圓盤上環(huán)狀的空隙）的證據(jù)。ALMA能以一種甚至比哈勃望遠鏡更高級的方式拍攝超遙遠的星系，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了分子氣體特征和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)。

但ALMA最大的科學(xué)貢獻也許將是，從圍繞這些超大質(zhì)量黑洞的光中收集到的所有信息。足夠快地寫下足夠多的（正確類別的）數(shù)據(jù)，然后用足夠強的計算能力把它們結(jié)合起來并進行分析，直到現(xiàn)在，這才第一次成為可能。

○ 到2018年初為止，可以成功地適用于視界望遠鏡的數(shù)據(jù)的兩種模型。兩種模型都顯示出一個偏離中心的、不對稱的視界，相比于史瓦西半徑是擴大了的，這與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)測一致。完整的圖像還沒有向公眾公布。| 圖片來源：R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1

那么，到2019年，當(dāng)（來自觀察這些黑洞的所有不同的天文臺的）所有27拍字節(jié)（PB，相當(dāng)于10^15B）的數(shù)據(jù)匯集在一起，得到全面分析后，將會帶來什么呢？事件視界會像廣義相對論預(yù)言的那樣出現(xiàn)嗎？有一些不可思議的事情需要測試：

• 黑洞的大小是否與廣義相對論預(yù)測的一樣；

• 事件視界是圓的（如預(yù)測的那樣），還是扁的或延長的；

• 射電輻射是否延伸比我們想象的要遠；

• 或者，是否會出現(xiàn)與預(yù)期行為偏差的事情。

○ 使用黑洞吸積盤的磁流體動力學(xué)模型，以及由此產(chǎn)生的射電信號，基于廣義相對論所運行的五種不同的模擬。注意事件視界在所有預(yù)期結(jié)果中的明顯特征。| 圖片來源：GRMHD SIMULATIONS OF VISIBILITY AMPLITUDE VARIABILITY FOR EVENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A*, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV:1601.06799

盡管事件視界望遠鏡團隊已經(jīng)探測到了銀河系中心的黑洞周圍的結(jié)構(gòu)，我們?nèi)匀粵]有直接的圖像。這需要理解我們的大氣以及其中發(fā)生的變化，結(jié)合數(shù)據(jù)，編寫新的算法來共同處理它們。這項工作正在進行中，但預(yù)期將在2019年上半年獲得第一批的圖像。我們中的一些人希望今年甚至去年就能得到圖像，但最重要的是科學(xué)家需要花時間和精力確保得到最正確的結(jié)果。

當(dāng)最終獲得這些圖像時，人們將不再懷疑黑洞是否存在，以及它們是否具有愛因斯坦偉大的理論所預(yù)言的那些性質(zhì)。

2019年，必將是事件視界的一年！

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來源：“原理”公眾號

編輯?∑ Gemini

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總結(jié)

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