視點(diǎn)
“有圖有真相”，黑洞照片的發(fā)布，為科學(xué)家進(jìn)一步研究其“吞噬機(jī)制”提供了直接素材。
北京時(shí)間10日晚9時(shí)許，包括中國(guó)在內(nèi)，全球多地同步公布了黑洞“真容”。該黑洞位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量約為太陽(yáng)的65億倍。它的核心區(qū)域存在一個(gè)陰影，周圍環(huán)繞一個(gè)新月?tīng)罟猸h(huán)。網(wǎng)友驚嘆——分明是個(gè)“甜甜圈”。
照片上的黑洞，略顯“萌態(tài)”。但實(shí)際上，它是只不折不扣的怪獸，在宇宙中游走并吞噬著一切。這次公布的黑洞照片不僅提供了黑洞存在的直接“視覺(jué)”證據(jù)，也再一次證明愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論在極端條件下仍然成立，同時(shí)還為天文學(xué)家進(jìn)一步研究黑洞吸積物質(zhì)的具體機(jī)制提供了可能。
給黑洞拍張“寫真”有多難
“黑洞”簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是引力大到連光都不能逃出的天體?；鸺軌蝻w出地球，可你跳起來(lái)總會(huì)落到地面上，因?yàn)槟愕乃俣炔蝗缁鸺?，總?huì)被地球引力給拉回來(lái)。而黑洞這樣的天體，引力大到能把速度最快的光都拉回到自身。黑洞的邊界，叫事件視界（event horizon），這個(gè)邊界以內(nèi)的一切，我們都無(wú)法看見(jiàn)——全部都被黑洞“吃掉”了。
你可能以為黑洞就是黑的?？商煳膶W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，黑洞究竟黑不黑要看環(huán)境。如果沒(méi)有什么東西可以“吃”，那些“安靜黑洞”確實(shí)是黑的。如果周圍有物質(zhì)掉進(jìn)黑洞的話，當(dāng)物質(zhì)進(jìn)入黑洞引力場(chǎng)，天文學(xué)上稱為吸積過(guò)程，物質(zhì)會(huì)被加熱到幾千上萬(wàn)攝氏度的高溫，發(fā)出明亮的X射線輻射。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，這些“活躍黑洞”堪稱宇宙中最明亮的天體之一。
要想直接看到黑洞，就得找不太安靜，又不太活躍的黑洞。即便是符合要求的黑洞，也大多因?yàn)榫嚯x我們太遙遠(yuǎn)或者被漂浮的宇宙塵埃遮擋，而無(wú)法被直接觀測(cè)到。
更重要的是，黑洞本身就不可見(jiàn)，黑洞形成的“事件視界”相對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō)又太小。比如太陽(yáng)直徑是140萬(wàn)千米，相當(dāng)于把它壓縮到6千米以內(nèi)，才能成為一個(gè)黑洞。要想看到黑洞，就得找足夠大的黑洞。
黑洞雖然總處于“隱身”狀態(tài)，但在它周圍存在的物質(zhì)會(huì)釋放出電磁波，這些信息逃不過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡的“眼睛”。在過(guò)去10多年時(shí)間里，麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家們聯(lián)合了其他研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開(kāi)展了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，旨在直接看到黑洞本身的那個(gè)黑色表面和附近物質(zhì)發(fā)出的光。包括中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)在內(nèi)的一些國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)也參與了此次國(guó)際合作。
他們利用分布在世界各地的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，組成一臺(tái)巨大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，口徑相當(dāng)于地球直徑。這一虛擬望遠(yuǎn)鏡“拍照”的重點(diǎn)對(duì)象是兩個(gè)黑洞，一個(gè)是位于銀河系中心的“人馬座A*”，另一個(gè)位于代號(hào)為M87的超巨橢圓星系中心。而此次發(fā)布的照片就是后一個(gè)黑洞。從2017年4月啟動(dòng)拍照至今，僅“沖洗”照片就耗費(fèi)了約兩年時(shí)間。
愛(ài)因斯坦早已埋下彩蛋
這一次發(fā)布的黑洞照片，再一次證明了一百多年前，愛(ài)因斯坦提出的廣義相對(duì)論。
愛(ài)因斯坦把時(shí)間和空間視為四維時(shí)空，把引力可視為時(shí)空結(jié)構(gòu)的扭曲，從而徹底顛覆了牛頓物理學(xué)對(duì)時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)。廣義相對(duì)論發(fā)表之后求出的第一個(gè)解，其中就包含了黑洞：當(dāng)一個(gè)天體的質(zhì)量被壓縮到足夠小的范圍，這些質(zhì)量就能進(jìn)入事件視界，連光也逃不出來(lái)，它外面就是黑的。
時(shí)隔一百年后，黑洞的照片提供了其存在的直接“視覺(jué)”證據(jù)，證明在引力場(chǎng)極強(qiáng)條件下廣義相對(duì)論仍然是對(duì)的。觀測(cè)結(jié)果是與理論預(yù)言一致，這是對(duì)科學(xué)理論正確性論證必不可少的一環(huán)。
這次拍攝到的黑洞的“暗影”區(qū)域（也就是亮環(huán)以內(nèi)，中心以外的部分），到黑洞中心的距離，已經(jīng)達(dá)到了黑洞半徑也就是所謂“事件視界”半徑的2.5倍。通過(guò)這張照片，能夠更加仔細(xì)地研究黑洞究竟是怎樣“吞噬”物質(zhì)，在它的旁邊又是怎樣形成了吸積盤和噴流現(xiàn)象。
總之，一張寫真照，讓黑洞從“傳說(shuō)”變成了目之所及的現(xiàn)實(shí)。我們這一代人也足夠幸運(yùn)，能夠在“家門口”第一時(shí)間見(jiàn)證現(xiàn)代科學(xué)前沿的重大進(jìn)展。而在中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)協(xié)調(diào)下，國(guó)內(nèi)諸多科學(xué)家也實(shí)地參與了此次國(guó)際合作，成為不可或缺的“中國(guó)元素”。
□孫正凡（天體物理博士）