“當(dāng)你凝視著深淵時(shí)，深淵也在凝視著你。”若將尼采這句名言嫁接到天文學(xué)上，當(dāng)科學(xué)家凝視黑洞時(shí)，卻連一絲光也看不到……

然而，科學(xué)家卻以恢弘的想象力、超凡的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰腕@人的毅力，組建起了直徑相當(dāng)于地球的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）。經(jīng)過兩年多不懈努力，終于獲得了黑洞在明亮吸積現(xiàn)象和“宇宙火柱”噴流現(xiàn)象襯托下的首張“剪影”——如同一團(tuán)溫暖的燭光，溫柔映襯出沉寂黑洞的陰影。

自愛因斯坦1916年提出黑洞理論預(yù)言以來，人類終于第一次得到了黑洞存在的鐵證！

全球聯(lián)手，拼接黑洞“剪影”

由于強(qiáng)引力的存在，黑洞里連光都無法逃逸。因此，從理論上來說，人類根本不可能給黑洞主體拍照。不過，根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言，黑洞邊緣存在著一種名為“黑洞視界”的交界帶。在這個(gè)交界地帶，周圍氣體會(huì)在黑洞強(qiáng)大引力下落入其中，并發(fā)出強(qiáng)烈輻射，產(chǎn)生明亮的吸積現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)噴發(fā)出強(qiáng)烈的物質(zhì)和能量外流，呈現(xiàn)壯觀的“宇宙火柱”噴流現(xiàn)象。由此，人類可通過對(duì)它的精細(xì)描繪勾勒出黑洞輪廓。

然而，要獲得這樣一幅黑洞“剪影”，難度超乎想象。黑洞研究專家、中國科學(xué)院上海天文臺(tái)副臺(tái)長袁峰介紹，直接觀測(cè)黑洞需要極高分辨率的望遠(yuǎn)鏡：如果是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，則要為它配備一塊直徑達(dá)幾公里的玻璃鏡片；如果是紅外望遠(yuǎn)鏡，它的口徑更要達(dá)到幾十甚至上百公里；若是毫米波望遠(yuǎn)鏡，其口徑將相當(dāng)于地球直徑。

目前，人類技術(shù)磨不出幾公里口徑的玻璃鏡片，但依靠甚長基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，只要將在地球不同地區(qū)的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)成網(wǎng)，就相當(dāng)于組成了一座與地球直徑相當(dāng)?shù)某笸h(yuǎn)鏡。

創(chuàng)建EHT是一項(xiàng)非常艱巨的工作，需要升級(jí)和連接部署八個(gè)現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡來組成全球網(wǎng)絡(luò)，而這些望遠(yuǎn)鏡分布在全球的高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、美國亞利桑那州山脈、西班牙內(nèi)華達(dá)山脈、智利阿塔卡馬沙漠，以及南極點(diǎn)。

2017年4月，科學(xué)家將八臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成了巨大的EHT。“通過這些望遠(yuǎn)鏡，我們可以接收到來自黑洞的輻射，如同拼圖一般將這些微弱信號(hào)累積起來，最終就能獲得一幅黑洞‘剪影’。”袁峰說，哪怕是2016年發(fā)現(xiàn)的引力波，也只是間接證明黑洞的存在，只有得到真實(shí)影像，才是黑洞真實(shí)存在的鐵證！

黑洞“模特”：人馬座A*星和M87

經(jīng)過兩年多數(shù)據(jù)處理，科學(xué)家們終于在北京時(shí)間4月10日21時(shí)，向全球揭開首張黑洞“剪影”。

這次公布的黑洞照片，拍攝的是銀河系外的巨型橢圓星系M87中心黑洞。中國科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)解釋說，M87中心黑洞是目前已知的最大黑洞之一，距離地球5500萬光年，相當(dāng)于65億個(gè)太陽質(zhì)量。實(shí)際上，超大質(zhì)量黑洞是相當(dāng)小的天體，以至于幾乎不能被直接看到。由于黑洞質(zhì)量越大，黑洞陰影越大，M87中心黑洞從地球看過去是角直徑最大的黑洞之一，因此成為EHT試圖捕獲的一個(gè)完美目標(biāo)。

其實(shí)，每個(gè)星系中心都會(huì)有一個(gè)黑洞，這次科學(xué)家一共觀測(cè)了六個(gè)黑洞，人馬座A*星中心黑洞（即“銀心黑洞”）也是主要觀測(cè)對(duì)象之一。沈志強(qiáng)告訴記者，銀心黑洞距離地球僅約兩萬五千光年，其質(zhì)量約為太陽的430萬倍，是離地球距離最近的超大質(zhì)量黑洞。

早在2005年，沈志強(qiáng)領(lǐng)銜的國際天文研究小組就在3.5毫米觀測(cè)波長的精度下，獲得了銀心黑洞圖像，研究結(jié)果發(fā)表于《自然》雜志。2018年，科學(xué)家獲得銀心黑洞1.3毫米波長精度的圖像，由于參與的望遠(yuǎn)鏡較少，其分辨率不如這次發(fā)布的圖像高。

觀測(cè)精度已經(jīng)提升了不止十倍

“這次，EHT在1.3毫米波觀測(cè)到了黑洞迄今為止最清晰的圖像。”參與EHT項(xiàng)目的中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森告訴記者，EHT的分辨率達(dá)到了20微角秒，這個(gè)精度意味著，你可以在紐約閱讀一份巴黎街頭攤開的報(bào)紙。

達(dá)到這個(gè)精度需要克服難以想象的困難。自上世紀(jì)六十年代，天文學(xué)家逐漸意識(shí)到黑洞可以被觀測(cè)，就開始了幾十年堅(jiān)持不懈的努力。“從開始到現(xiàn)在，觀測(cè)精度已經(jīng)提升了不止十倍。”沈志強(qiáng)介紹，為了突破觀測(cè)極限，科學(xué)家把望遠(yuǎn)鏡造在海拔幾千米的高山上，但觀測(cè)精度又要求望遠(yuǎn)鏡的反射面偏差不能超過60微米，克服溫差和材料形變都是必須攻克的難關(guān)。而且，數(shù)據(jù)必須記錄在充氦磁盤上；無法聯(lián)網(wǎng)的八臺(tái)望遠(yuǎn)鏡必須用氫鐘保持同步……

路如森曾在夏威夷麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）工作過，他對(duì)堅(jiān)守的日子記憶猶新：稀薄的空氣令人感到呼吸困難，24小時(shí)值守只分兩班，每天還必須將沉重的磁盤扛上機(jī)器，不出差錯(cuò)地安裝上去。“這的確是段艱苦的日子，但終于實(shí)現(xiàn)了我們的夢(mèng)想！”

“現(xiàn)在才算初步看清了黑洞的樣子。”沈志強(qiáng)說，接收到信息后，科學(xué)家還需對(duì)海量的信息進(jìn)行處理，“比如南極的數(shù)據(jù)四月收了之后，直到九十月份才能取到。”科學(xué)家將大量時(shí)間用在比對(duì)、確認(rèn)上，確保發(fā)布的圖像準(zhǔn)確無誤。

在這場(chǎng)漫漫探索中，我國科學(xué)家作出了重要貢獻(xiàn)。不少科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測(cè)和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究。在2017年EHT全球聯(lián)合觀測(cè)期間，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡，共同參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測(cè)，為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。

“接下來，我們準(zhǔn)備將觀測(cè)波段提升到0.8毫米、345G赫茲。”沈志強(qiáng)說，未來隨著格陵蘭望遠(yuǎn)鏡、基特峰望遠(yuǎn)鏡等的加入，EHT的靈敏度將顯著提高，“我們將把黑洞看得更加清晰。”