《科学画报》
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倒计时！活久见！黑到谁都看不见的黑洞爆照了！
2019-07-23 22:35:00北京时间4月10日21:00，全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海、中国台北、日本东京、美国华盛顿）同时召开新闻发布会，发布来自事件视界望远镜的最新重大成果——黑洞的史上第一张照片！也就是说，我们将是第一波看到黑洞真面目的人类！
你可能会问，黑洞那么黑，连光都逃不出来，没有人能“看见”它，但是这照片是怎么拍出来的呢？谁这么神通广大，能给黑洞拍照呢？
南极广袤的冰原上，有一面射电天线在转动。智利海拔近5000米的沙漠中，另一面天线在扫描天空。与此同时，位于美国加利福尼亚州、亚利桑那州和夏威夷以及墨西哥和西班牙的天线也在接收来自宇宙的信号。尽管它们彼此间隔遥远，但这些射电天线却一同构成了一个大胆的计划——一架直径与地球直径相当的望远镜。这就是“事件视界望远镜”。从2017年开始，天文学家用它来一睹黑洞的心脏。
挑战广义相对论
普通的黑洞是大质量恒星死亡的遗迹，质量是太阳的数倍到数十倍，而星系的核心处潜藏着的超大质量黑洞，质量可达太阳的数百万倍到数十亿倍。虽然质量巨大，但黑洞却是宇宙中最致密的天体。极端的致密程度使得黑洞具有令人难以置信的超强引力，能够扭曲其周围的时空结构。在某一个确定的点——事件视界（简称视界）上，黑洞的引力会强大到连光也无法逃逸。因为那里的时空曲率会达到极端的数值，所有逃逸路线最终都会直接“折返”到黑洞。黑洞兴许是宇宙中最“恐怖”的天体。
对于黑洞视界周围最好的认识来自爱因斯坦的广义相对论。然而，许多物理学家怀疑，在最强的引力场中广义相对论可能会失效。黑洞的视界也许是宇宙中广义相对论不再灵验的地方。对于寻求将广义相对论和量子理论统一到一起的物理学家来说，发现广义相对论的破绽无疑将是一条激动人心的好消息。如果广义相对论被证明确有缺陷，这就有可能为一个更深层且更基本的宇宙理论提供线索。
到目前为止，广义相对论以优异的成绩通过了各式各样的检验，其中包括最近发现的来自黑洞碰撞的引力波。但迄今这些检验都局限在相对较弱的引力场中。银河系中心黑洞的潮汐力比探测到引力波的那次黑洞碰撞强1亿倍。因此，超大质量黑洞成为检验爱因斯坦广义相对论的天然实验室。
其中的关键是找到黑洞的“影子”。由于黑洞的强大引力，光会在它周围环绕打转，由此形成一个由光子所组成的环，被这个环所包围的阴影区被称为“影子”。爱因斯坦的理论预言它应该大致呈圆形。任何与圆形影子的显著偏差都被视为广义相对论失效的证据。
美国科幻电影《星际穿越》中黑洞视界附近的计算机模拟图。《星际穿越》的科学指导是物理学家基普·索恩（也是2017年诺贝尔物理学奖的获得者），所以这部电影为黑洞塑造了一个迄今为止最逼真的银幕形象。
对此进行检验的最佳对象是银河系中心的超大质量黑洞人马A*。从20世纪90年代中期开始，天文学家就一直在监测银河系的中心，发现那里的恒星围绕着一个看不见的天体运动。根据这些恒星的运动特性，可以推测出银心黑洞人马A*的质量高达太阳的400万倍。然而，为了使这些恒星仍停留在稳定的轨道上，该黑洞的视界必须很小——事实上，人马A*的视界半径大约只有水星绕太阳轨道的三分之一。
高分辨率
要想通过人马A*的影子形状来检验广义相对论，唯一的途径就是观测其视界近旁所发生的现象，但这谈何容易。人马A*的视界不仅本身就很小，而且它还远在26000光年之外，这让问题变得难上加难。从理论上讲，对于太空中较小的天体，必须使用更高分辨率的望远镜才能看到。
看到人马A*影子所需的分辨率是哈勃空间望远镜的2000倍，这相当于在地球上分辨出放在月球上的一个柚子。对于望远镜来说，直径越大，其分辨率就越高。因此，构成事件视界望远镜的天线必须间隔十分遥远。使用被称为甚长基线干涉测量的技术，天文学家可以综合分别位于四大洲的天线所收集到的信号，得到一幅如同一架望远镜所看到的图像，而这架望远镜的直径则与地球相当。
为了把这些相距遥远的信号综合到一起，需要使用高精度的原子钟记录信号到达不同望远镜的时间。每秒所记录下的数据量可达64GB，与一台iPad的容量相当。每一个观测点会存储数百TB数据，然后这些硬盘将被空运到位于美国麻省理工学院的中央机构，在那里它们会被合成为一幅图像。
拍摄时空
尽管有许多挑战，但事件视界望远镜项目正在有条不紊地进行，有许多望远镜已经加入其中。第一批观测可以追溯到2006年，此后它一直保持着对人马A*的监测。目前的事件视界望远镜还没有达到直接观测人马A*视界所需的分辨率。但是，情况即将发生改变。位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列很快就会加入进来，此举可以把事件视界望远镜的灵敏度提高10倍。
阿塔卡马阵列由许多面射电天线构成。天文学家已经测试了一种将其30个接收机加入事件视界望远镜的办法。2016年4月，他们又前往事件视界望远镜的不同站点，开展了进一步的试验。
借助事件视界望远镜，人类第一次直击黑洞视界的样子，而这不单单能对广义相对论进行检验。银河系中心的超大质量黑洞看似巨大，但和星系M87中心质量为太阳70亿倍的黑洞比起来却相形见绌。M87是一个椭圆星系，从它的中心射出了一道长5000光年的巨大喷流。此前事件视界望远镜对M87喷流的根部进行了观测，但形成该喷流的机制依然不明。
天文学家认为，这是落向黑洞的物质与强磁场相互作用的结果，但要搞清楚其背后的物理机制，关键是对黑洞视界附近的区域进行观测。天文学家想知道，物质是如何在磁力线的驱动下被喷射出去的，而这目前只能靠猜测。未来随着事件视界望远镜投入使用，他们将有机会第一次目睹这一过程的发生。
观测物质在黑洞周围的运动情况，还有助于解释为什么银河系中心的黑洞似乎一直处于“饥饿”状态。它周围的物质只有1%掉入其视界内部。当物质盘旋着掉入黑洞时，会被加热到极高的温度，发出X射线辐射。因此，如果人马A*一直狼吞虎咽“进食”物质的话，银河系中就会充斥着更多的高能辐射，而这显然是不利于生命起源和演化的。
因此，事件视界望远镜的观测不仅能对广义相对论进行最严苛的检验，它甚至还能告诉我们为什么人类能够出现在地球上。
本文来自《科学画报》
