首張黑洞照片誕生！霍金黑洞理論終獲證實(shí)
幾十年來侨歉，天文學(xué)家已經(jīng)公布了一大堆有關(guān)黑洞的觀測數(shù)據(jù)和各種各樣的照片揩魂，但那些照片拍到的都是黑洞周圍的氣體或其他物質(zhì)，黑洞本身只是一個(gè)不可分辨的斑點(diǎn)火脉；還有些照片拍到的只是從某個(gè)天體中傾泄而出的巨大能量，天文學(xué)家推測這個(gè)天體應(yīng)該是黑洞畸颅。事實(shí)上，僅憑這些證據(jù)方援，我們甚至不能確定黑洞是否真的存在。
天文學(xué)家已經(jīng)在天空中發(fā)現(xiàn)了一些質(zhì)量足夠大送火、密度足夠高的天體，如果愛因斯坦的廣義相對論是正確的瞎疼，它們就必定是黑洞泪喊。不過此前，我們始終無法確定這些天體是否擁有一個(gè)讓物質(zhì)只進(jìn)不出的視界——這個(gè)視界才是定義黑洞的最重要特征猖败。提出這一問題并非只為滿足純粹的好奇心恩闻，而是因?yàn)檫@樣的視界涉及理論物理學(xué)中一個(gè)最深層次謎題的核心判呕。顯示黑洞事件視界黑暗剪影的照片，能幫助我們理解發(fā)生在黑洞周圍的異乎尋常的天體物理過程侠草。
直接觀測黑洞，為什么這么難边涕？
在很長一段時(shí)間里褂微，直接觀測黑洞困難重重。
一個(gè)顯著的問題是宠蚂，黑洞對于地球上的觀測者而言實(shí)在太小了。現(xiàn)在天文學(xué)家認(rèn)為求厕，絕大多數(shù)星系的中心都存在超大質(zhì)量黑洞，這些黑洞的質(zhì)量可達(dá)數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量美浦，有些黑洞的直徑甚至超過我們的太陽系项栏，而即使是它們浦辨，由于距離地球非常遙遠(yuǎn)沼沈，在天空中占據(jù)的角尺度也極小。距離最近的超大質(zhì)量黑洞是人馬座A*列另，位于銀河系的中心，質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬個(gè)太陽晦嵌。它的視界在天空中的張角只有50微角秒，大約相當(dāng)于月球上的一張DVD惭载。要想分辨角尺度這樣小的天體响巢，我們需要一架分辨能力比哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還要高2000倍的望遠(yuǎn)鏡。
其次含长，只有很小一部分黑洞周圍擁有大量氣體可供吸積，因此能夠被我們看到拘泞；銀河系中的絕大多數(shù)黑洞迄今仍然未被發(fā)現(xiàn)。
不僅如此陪腌，我們到黑洞的視線還會因兩種不同原因而被遮擋。首先诗鸭，目標(biāo)位于星系的正中心，在這里由氣體和塵埃組成的稠密云團(tuán)會封堵住大部分電磁波段强岸。其次，我們想要探測的發(fā)光物體是由旋轉(zhuǎn)著落向視界的高度壓縮物質(zhì)組成的灼熱漩渦弥咪，這些物質(zhì)本身對大部分波長的電磁輻射也是不透明的十绑。因此聚至，只有極狹窄的波長范圍內(nèi)的輻射，能夠從黑洞邊緣逃離本橙，被地球上的觀測者看到扳躬。
不過，在直接拍下疑似黑洞的直接影像之前甚亭，天文學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出多種技術(shù)贷币，揭露了緊緊圍繞疑似黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)的種種性質(zhì)及行為方式。
比方說亏狰，通過觀察附近恒星的運(yùn)行方式役纹，天文學(xué)家就能稱量出一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的重量，就像利用行星的軌道來給太陽稱重一樣暇唾。在遙遠(yuǎn)的星系里促脉，超大質(zhì)量黑洞附近的單個(gè)恒星無法分辨，但那些恒星的光譜能夠揭示它們的速度分布策州，從而得出這個(gè)黑洞的質(zhì)量瘸味。
天文學(xué)家還在黑洞附近發(fā)出的輻射隨時(shí)間變化的模式當(dāng)中，尋找廣義相對論留下的記號够挂。比如說旁仿，一些恒星質(zhì)量的黑洞發(fā)出的X射線輻射，在亮度上會發(fā)生準(zhǔn)周期變化孽糖，這一變化周期又與黑洞吸積盤最內(nèi)側(cè)附近理論預(yù)計(jì)的軌道周期十分接近枯冈。
在此之前滩褥，探測超大質(zhì)量黑洞最富有成效的方法，是觀測吸積盤表面鐵原子發(fā)出的熒光铡恕。吸積盤攜帶著鐵原子快速轉(zhuǎn)動驹针，再加上黑洞本身強(qiáng)大引力的作用诀艰，會使鐵原子熒光的特征波長發(fā)生偏移苛蒲，并擴(kuò)散到某個(gè)波段范圍臂外。在快速自轉(zhuǎn)的黑洞附近漏健，吸積盤本身圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的速度會加快蔫浆，因此這種輻射會展現(xiàn)出一種不對稱性瓦盛，從而泄露天機(jī)谭溉。
日本的“宇宙學(xué)及天體物理學(xué)高新衛(wèi)星”（ASCA）和“朱雀”（Suzaku）X射線天文衛(wèi)星已經(jīng)觀測到了這樣的輻射，天文學(xué)家把這些觀測解讀為高速自轉(zhuǎn)黑洞的直接證據(jù)柜与，那些吸積盤中的軌道速度高達(dá)光速的1/3。
圖中數(shù)值模擬結(jié)果顯示，落向黑洞的物質(zhì)應(yīng)會產(chǎn)生能用來驗(yàn)證愛因斯坦引力理論的現(xiàn)象剩瓶。
事件視界望遠(yuǎn)鏡——直視黑洞的窗口
而要直接觀測到黑洞延曙，我們必須尋求口徑更大的射電望遠(yuǎn)鏡枝缔。事件視界望遠(yuǎn)鏡（event horizon telescope，EHT）項(xiàng)目的目標(biāo)正是通過國際合作來克服這些困難趴荸，對黑洞進(jìn)行細(xì)致的觀測赊舶。為了實(shí)現(xiàn)在地球表面觀測所能達(dá)到的最高角分辨率笼平，EHT采用了一項(xiàng)被稱為“甚長基線干涉測量”（VLBI）的技術(shù)——天文學(xué)家利用位于地球不同位置的射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對同一目標(biāo)進(jìn)行觀測寓调，將采集到的數(shù)據(jù)分別記錄在硬盤上夺英，之后再利用超級計(jì)算機(jī)整合這些數(shù)據(jù)痛悯，得到一張圖像载萌。通過這項(xiàng)技術(shù)垮衷，分布在地球上不同大洲的許多望遠(yuǎn)鏡組成了一架虛擬的搀突、地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡。而望遠(yuǎn)鏡的分辨能力由觀測波長與望遠(yuǎn)鏡尺寸的比值決定徐许，所以VLBI通嘲硌埃可以在射電波段對天空進(jìn)行高分辨率成像觀測，分辨能力遠(yuǎn)超所有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。
這次觀測銀河系中心黑洞的事件視界望遠(yuǎn)鏡由8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成祠肥，它們分別是：南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）县恕、智利的阿塔卡馬大型毫米波陣（ALMA）、智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（APEX）权逗、墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡（LMT）师坎、美國亞利桑那州的亞毫米望遠(yuǎn)鏡（SMT）胯陋、美國夏威夷的亞毫米望遠(yuǎn)鏡（SMA）寿弱、美國夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）症革，以及西班牙射電天文臺的30米口徑毫米波望遠(yuǎn)鏡（IRAM）噪矛。
8架射電望遠(yuǎn)鏡或干涉陣參與了此次觀測韭赘。（圖中IRAM布雷高原干涉儀未參與此次觀測）每架望遠(yuǎn)鏡都位于高海拔處，以保證地球大氣對信號的吸收降到最低脉漏。利用全球范圍的設(shè)備以及在毫米波段進(jìn)行觀測侧巨，該天線陣的有效角分辨率將達(dá)到數(shù)百萬分之一角秒——足以看清月球上一張DVD畴蹭。
我們銀河系里的龐然大物人馬座A*是EHT的第一個(gè)觀測目標(biāo)。這個(gè)黑洞距離我們“僅有”24 000光年锻离，是天空中所有已知黑洞里看上去圓面最大的一個(gè)。一個(gè)10倍太陽質(zhì)量的黑洞虱朵，距離我們必須比最靠近太陽的恒星還近100倍時(shí)絮宁，看起來才會跟人馬座A*一樣大。盡管宇宙中還存在著比人馬座A*更大的超大質(zhì)量黑洞，但它們都遠(yuǎn)在幾百萬光年以外忍饰。
在VLBI觀測的波長上（接近于1毫米），銀河系幾乎是“透明的”，因此在觀測人馬座A*時(shí)敌厘，EHT在視線方向上受到的氣體干擾是最小的。相同波長的電磁波還能夠穿透落向黑洞的物質(zhì)曹步，讓我們能夠深入到人馬座A*視界周圍最靠近內(nèi)部的區(qū)域俊柔。而且非常巧合的是，一架地球尺寸的望遠(yuǎn)鏡在毫米波段的分辨能力剛好能夠分辨距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞的視界酵紫。
甚長基線干涉測量技術(shù)拍攝的第二個(gè)目標(biāo)，是據(jù)信位于巨橢圓星系M87中心的黑洞。這個(gè)黑洞距離地球5500萬光年，2009年6月捎泻，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的卡爾·格布哈特（Karl Gebhardt）和德國加爾興馬普地外物理研究所的延斯·托馬斯（Jens Thomas）合作闯狱，測定出這個(gè)黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于64億顆太陽——足以使它剪影的直徑“膨脹”到人馬座A*剪影的3/4。
黑洞及周圍結(jié)構(gòu)圖
黑洞剪影
EHT此次公布的發(fā)現(xiàn)波俄，來自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞會在周圍吸積氣體的輻射構(gòu)成的“背景墻”上投下一個(gè)剪影。之所以會形成這樣一個(gè)“陰影”醒陆，是因?yàn)楹诙磿褟乃澈蟀l(fā)出并射向觀測者的光線全部吞噬。與此同時(shí)，從黑洞背后發(fā)出又剛好擦過視界的其他光線怕犁，會使“陰影”周圍增亮而形成一片明亮區(qū)域阵子。強(qiáng)大的引力透鏡效應(yīng)會彎折光線誊册，就連處在黑洞正后方的物質(zhì)發(fā)出的光線，都能被彎折到黑暗區(qū)域的周圍貢獻(xiàn)一部分“光亮”。
由此產(chǎn)生的黑色剪影就是所謂的“黑洞大頭照”——在這張照片上至会，黑洞完全是一團(tuán)漆黑，可謂名副其實(shí)术陶。這個(gè)陰影不會是一個(gè)對稱的圓盤梧宫，這主要是因?yàn)橹車鷼怏w的旋轉(zhuǎn)速度極高，幾乎要接近光速。如此高速運(yùn)動的物質(zhì)發(fā)出的輻射會發(fā)生多普勒頻移，輻射方向也會向物質(zhì)運(yùn)動的方向匯聚而形成一個(gè)狹窄的光錐。因此，在旋轉(zhuǎn)氣體朝向我們運(yùn)動的一側(cè)牺弹，輻射會大大增強(qiáng)例驹，而在背向我們運(yùn)動的另一側(cè)，輻射會大幅減弱。這樣一來，出現(xiàn)在圓盤狀黑暗剪影周圍的就不會是一個(gè)完整的亮環(huán)圆丹，而是一個(gè)新月狀亮弧廉丽。只有在我們的視線恰好與吸積盤旋轉(zhuǎn)軸重合的情況下正压，這樣的不對稱才會消失校套。
黑洞本身的自轉(zhuǎn)也會產(chǎn)生類似效果，但自轉(zhuǎn)方向可能與吸積盤旋轉(zhuǎn)的方向不同省店。因此這樣的照片能讓天文學(xué)家確定這個(gè)黑洞自轉(zhuǎn)的方向嚣崭，以及吸積盤相對于黑洞自轉(zhuǎn)的傾斜角。這兩個(gè)參數(shù)對天體物理學(xué)來說同等重要懦傍，這些數(shù)據(jù)將為吸積理論提供無價(jià)的觀測輸入雹舀，徹底解決氣體密度和吸積流內(nèi)邊緣幾何結(jié)構(gòu)的問題。
驗(yàn)證廣義相對論
這次發(fā)現(xiàn)粗俱，讓我們在黑洞邊緣這樣引力極強(qiáng)的環(huán)境下驗(yàn)證廣義相對論说榆。
1973年，霍金等人提出了黑洞無毛定理寸认。根據(jù)這一定理签财，任意被視界包裹的黑洞都可以被三個(gè)物理量完整地描述：質(zhì)量、自旋和電荷偏塞。換言之唱蒸，任意兩個(gè)黑洞，只要質(zhì)量灸叼、自旋和電荷都相等神汹，那么這兩個(gè)黑洞應(yīng)該是完全一樣的，就像兩個(gè)電子一樣是不可區(qū)分的怜姿。根據(jù)該定理的描述慎冤，黑洞是沒有“毛發(fā)”的，沒有任何幾何上的不規(guī)則性或其他可區(qū)分的性質(zhì)沧卢。
如果無毛定理是錯(cuò)的，廣義相對論至少需要得到修正醉者。對這一定理的數(shù)學(xué)證明沒有留下任何回旋的余地但狭。
最初考慮利用VLBI對黑洞進(jìn)行成像觀測的時(shí)候披诗，我們認(rèn)為可以利用黑洞“陰影”的形狀及尺寸來了解黑洞的自轉(zhuǎn)速度及其自轉(zhuǎn)軸的方向。然而立磁，數(shù)值模擬卻給了我們一個(gè)意外的驚喜：在模擬中呈队，無論我們?nèi)绾胃淖兒诙吹淖赞D(zhuǎn)速度以及虛擬觀測者的位置，黑洞的“陰影”總是呈現(xiàn)為近似圓形唱歧，并且其尺寸大約為視界半徑的5倍宪摧。由于某一幸運(yùn)的巧合——或者有某一尚未被我們發(fā)現(xiàn)的深層次物理規(guī)律，不管我們?nèi)绾胃淖兡Ｐ椭械膮?shù)颅崩，黑洞“陰影”的大小和形狀都保持不變几于。
這一巧合對于我們驗(yàn)證愛因斯坦的理論是極有利的，因?yàn)樗鼉H在相對論成立的前提下出現(xiàn)（見下圖）沿后。而對人馬座A*的觀測結(jié)果顯示沿彭，其“陰影”的大小或形狀與我們的預(yù)言相吻合，這進(jìn)一步印證了無毛定理——進(jìn)而也驗(yàn)證了廣義相對論尖滚。
這次發(fā)現(xiàn)無疑幫助我們確認(rèn)喉刘，愛因斯坦的廣義相對論——特別是它關(guān)于黑洞的預(yù)言——將毫發(fā)無損地再成立一個(gè)世紀(jì)。
