我们看见了黑洞

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  人类历史的相册,收入新照片。

  被拍摄对象非常特别,它叫黑洞。

  在过去两年时间里,全球200多位科学家组成研究团队,通过世界各地天文望远镜组成的“巨眼”视界面望远镜,收集并整合了黑洞图像的数据。

  北京时间2019年4月10日晚上9时,公布“黑洞照片”的新闻发布会对全球直播。6大会场包括中国上海,一起来看给黑洞拍照的正确姿势。

  作者 | 王梦影

  编辑 | 秦珍子

  我们或许要成为用眼睛见过黑洞的第一代人。

  2017年4月,为了给黑洞照张相片, 4个大洲8个射电望远镜阵列组成了虚拟望远镜网络——“事件界面望远镜”。全球30多个研究所的科学家展开联合观测,针对观测数据的分析预计将在一年后完成,黑洞这个神秘存在会拥有一张“正面免冠照”。

  一个世纪以来,黑洞的身影出现在书籍、影视剧甚至商品包装盒上,那些都不过是计算机模拟的结果,是基于科学理论的想象。

  根据爱因斯坦1915年提出的广义相对论,引力可以抓住时空掰弯它们。那么,当物质和能量无限大时,扭曲将没有极限。一个宇宙的下水道口最终形成,连光都逃不掉被旋转着冲下去的命运——光是我们所知宇宙中跑得最快的了。

  2016年2月,人类“听”到了黑洞。13亿光年之外,两个黑洞合并产生的引力波被LIGO(激光干涉引力波天文台)探测到。项目领导者、麻省理工学院海斯塔克天文台的谢泼德·S·德勒曼表示,那不过是我们未现真容的朋友在湖心“将手探进水里”,伫立在近岸水中的我们“感受到了阵阵涟漪”。

  这一次,我们或许终将眼见为实。

  包裹着虚空的光

  美国时间4月11日上午11时22分,在海斯塔克天文台,工程师和天文学家结束了持续5天的观测。有人打开一瓶50年的威士忌,有人开始播放皇后乐队的《波西米亚狂想曲》。

  观测对象之一在银河的中心,1200万光年之外。40万个太阳的质量挤压在这里,引力牵动大小星体环绕运转。这片宇宙被煮沸了。喷射状的能量拖曳出长达100万光年的尾巴,像一场永恒持续的焰火表演。

  长久以来科学家推测,名为半人马星系A*的超大质量黑洞就在这里。相比对周边物质狼吞虎咽的同类,它可能正在“节食”。

  它是隐身的。眼睛接收物体反射的光才能看见它们的样子。而黑洞不会放过任何一缕试图逃逸的光,无法被看到。

  科学家采取了迂回战术。

  

  某种模型下对黑洞的计算

  据黑洞研究专家、国家天文台研究员苟利军教授介绍,黑洞的中心是一个奇点,无限质量都挤在这一点上。奇点的外围是一片虚空,虚空的边沿被称为事件界面。事件界面上,被引力吸引的气体旋转着,因摩擦而发出耀眼的光亮。

  这次给黑洞拍照,对象并不是那一团虚空,而是包裹着虚空的光芒。通过确定事件界面的大小、形状,我们能进一步了解黑洞的样貌。就好像透过半透明的蝉蜕,了解高树上难寻踪影的蝉。

  科学家猜测,事件界面会像天幕中一只金色的圆环。因为多普勒效应,朝向我们流动的那半个环蓝一点,远离我们的则红一点。

  银河横亘在地球的眼睛与那片光之间。海斯塔克天文台的哈尼奥·法科列表示,这条繁星组成的河流更像一面“结霜的玻璃”。只有少数光子才能穿过而不被吸收。

  这次观测的射电望远镜采用了射电波段内波长最短的毫米波,以期窥见更清晰的细节。

  尽管“眼见为实”指的通常是可见光,照片仍会真实反映出黑洞的模样。实际上,在天文学家眼里,真实的形式是丰富的。

  苟利军展示了一幅长图:银河在不同波段内呈现出不同的样子。形状大小没有改变,在能量最高的伽马射线波段,它是青绿色背景上一条镶金的红带子;在红外线波段,它是紫色幕布上一条白金色裂缝。

  月球上的橘子

  这样的照片极有可能拍不清楚:拍摄对象站得太远,又太小了。

  2005年,中国科学院上海天文台沈志强研究员领导的国际天文研究小组发现,半人马星系A*所占区域的直径只有1.5亿公里,不过一个天文单位。

  “站在地球上看事件界面,它和月球上的一只橘子差不多大。”苟利军说。这是天文学圈内的一个经典比喻,源于包括华盛顿大学在内的科学团队在2000年的精确计算。

  目前人类从地球上拍摄月球表面最清晰的画面包含13000个像素,每个像素覆盖的实际区域能铺下1500万只橘子。

  想看清月球上的橘子,德勒曼和他的团队需要一架地球一样大的望远镜。

  “道理很简单:望远镜的口径越大,看得越清楚。”国家天文台研究院的刘超说。他是望远镜方面的专家。

  1609年秋天,伽利略透过细铜管和凸透镜,第一次看见了月球粗糙的表面。2014年,球面射电望远镜FAST建造成功,口径500米,宛如贵州省黔南布依族苗族自治州青山中的一口白色大碗。随着口径变大,人类的视线也能到达更远,视觉更清晰。

  
位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县的500米口径球面射电望远镜。

  当最大口径的单个望远镜也无法达到所需要的清晰度时,“长基线干涉技术”(VLBI)有了发挥空间。为了获得更清楚的视线,科学家尝试将多处望远镜联合起来。望远镜彼此距离越远,看得越清晰。

  南到南极、北至西班牙,从休眠已久的火山口顶到终年不化的冰层,人类之眼逐一睁开。8座射电望远镜组成了一张地球一样大的视线之网。

  联合这8只眼睛的协调工作花费了10年,科学只是其中的一个层面。

  苟利军打了个比方。事件界面的光子穿过宇宙映照在望远镜里,拼凑出图像。它们像沉默的旅客一批批到来。每批携带着某一时刻的图像信息。8座射电望远镜像8座车站等待着它们。

  同一批旅客到达不同车站的时间点不会完全一致。如果按照到达时间整理他们携带的信息,就会搞错批次。不同时刻的光子混在一起,最终将得到失真的图像。

  科学家必须把控好这8座车站的精确时间表。

  为了保证最好的观测效果,被选择的望远镜都位于高纬度、高海拔、气候干燥的地点。“地球上这样的好位置是有限的。”

  这些格外明亮的眼睛和当红明星一样,有着格外紧张的档期。希望借助它们完成的科学探索计划排着长长的队伍。

  另一方面,整个观测期间,位于四大洲的这8个地点都需要好天气。2017年内这样的窗口只有10天。

  协商必不可少。最终的计划是,两个晚上对半人马星系A*进行观测,剩下的时间分给星系M87黑洞。

  大部分望远镜并没有可以支持VLBI技术的设备。事件界面望远镜团队需要一家家拜访,调整硬件设备,安装新的数字信号处理器和数据存储器。在智利的阿塔卡马大型毫米波阵,德勒曼的伙伴甚至需要爬进望远镜的大碗里去重连电路。

  “各种层面的政府购买都需要。” 德勒曼感叹。

  朋友圈的自拍和真理

  这不是人类理论第一次先于视线突破脚下星球的桎梏。

  1932年,中子被发现。苏联科学家郎道在相关的讨论会上预言,中子星的存在。相关的理论不断发展, 35年后,剑桥大学的一名女学生捕捉到了1.337秒有规律的无线电脉冲,仿佛外星人的耳语。科学家最终认定这是中子星快速旋转的结果。

  爱因斯坦提出广义相对论已经过去了103年。最早为“事件界面”起名的德国科学家于2016年春天去世。他录的最后一档电视科普节目的名称是《只是时间问题》,一语双关。两个月后,人类“听”到了黑洞的回声。一年后,8只巨眼缓缓睁开。

  “这次的结果其实对日常生活不会有什么影响。” 苟利军老老实实地说。据他介绍,全国目前研究黑洞的人已经挺多了,“有差不多30个人呢”。

  中国算是这次项目的乙方之一。8只眼睛之一、位于夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯维尔望远镜在经营不善时获得亚洲核心天文台的资金。后者由包括中国科学院国家天文台在内的4家东亚核心天文机构组成。

  尽管没有直接参与,苟利军早在一年之前就知晓了事件界面望远镜项目。他是位热情的科普作者,早早准备好了介绍项目的文章,掐着点发送了。文章阅读数量很快突破10万次。

  接受美国媒体采访时,德勒曼摩拳擦掌,想要了解物质环绕事件界面的结构,看着气体如何掉入那一团虚无之中消失,“宛如电影”。

  法科列的愿望更简单:“事件界面确定了黑洞的存在。我希望能看见它,实实在在地看见它。”这就意味着,人类百年来关于时空的最重要的理论是正确的。

  他们还得等上一年。这张照片要到2018年才能被“冲洗”出来。

  事件界面望远镜最终每一个晚上产生的数据量达到2PB,相当于200万部蓝光电影。如此大的数据量无法凭借网络发送,要被储存在1024个硬盘里,邮寄到海斯塔克天文台和德国波恩的马普射电所。

  这其中,南极射电望远镜的数据直到今年9月才能被飞机取出。在那之前,漫长的南极冬天将阻挡任何交通。

  数学家、物理学家、天文学家并肩合作。超级计算机将哼哧哼哧地对这些数据进行处理。

  随着地球旋转,8只眼睛拍摄到的图像都会有不同程度的变形。计算机算法能在这些图像中选出“更接近真实”的图像,从而还原出被拍摄星体的准确全貌。

  要做到这点需要学习。科学家“喂”给它越多的真实图片,这套算法对“真实”的判断就越准确。

  在此次项目的参与者、海斯塔克天文台的凯特·鲍曼看来,描摹宇宙就好比一盘拼图游戏。海量的图片将作为拼图的碎片,被算法挑选,嵌入合适的网格里,一点点补充完全。

  问题是,黑洞和被拍摄的其他星体不同,没有人真正见过。科学家试图接近的真实是一团虚空。

  他们当然可以选取依据理论模拟出的黑洞图片作为典范。这潜藏着一个巨大的危险:如果爱因斯坦错了怎么办?

  “我们不能以自己想要证明的理论作为证明的基础。” 鲍曼说。

  鲍曼和她的同道者尽力做到公允。他们“喂”给机器的拼图碎片里,不仅有模拟的黑洞照片,也有其他星体的照片,还有来自于网络的海量日常图片。在观测前的模拟过程中,这三类碎片都获得了相近的拼图。她和伙伴总算放心了一点。

  令鲍曼感慨的是,这些海量的日常图片里,不少是来自于社交网络上瞪着眼睛傻笑的自拍,还有很多家庭合影。

  人类生活中最普通、最世俗的那些图景,将帮助揭示时空的真容。

  - END -

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