有史以來(lái)第一張黑洞照片可能是科學(xué)上的一個(gè)里程碑，但事實(shí)證明，用于捕捉它的望遠(yuǎn)鏡陣列同樣具有開(kāi)創(chuàng)性。天文學(xué)家今天發(fā)布了梅西耶 87 星系 (M87) 中心黑洞的詭異圖像，但這是全球各地設(shè)施多年工作的結(jié)晶。

梅西耶 87 很接近，至少在天文方面是這樣。這個(gè)橢圓星系距離地球大約 5500 萬(wàn)光年，位于室女座星系團(tuán)中。它實(shí)際上是當(dāng)?shù)赜钪嬷匈|(zhì)量最大的星系之一，早在 1781 年就被查爾斯·梅西耶發(fā)現(xiàn)并以他的名字命名。

雖然這個(gè)星系可能在幾個(gè)世紀(jì)前就被發(fā)現(xiàn)了，但其中心的超大質(zhì)量黑洞仍然是幾個(gè)謎團(tuán)的來(lái)源。例如，宇航局此前曾觀測(cè)到從 M87 中心噴出的高能粒子射流，以接近光速的速度移動(dòng)。它延伸超過(guò)一千光年。與此同時(shí)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在噴流中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的物質(zhì)團(tuán)，稱為 HST-1，它以讓科學(xué)家們感到困惑的方式變亮和變暗。

你看不到黑洞——只能看到它的影子

研究黑洞的部分問(wèn)題在于，首先是什么讓它們?nèi)绱擞腥ぃ核鼈內(nèi)绱素澙罚踔凉庖矡o(wú)法逃脫。黑洞的公認(rèn)邊界是事件視界，即光無(wú)法抵抗引力的點(diǎn)。在沒(méi)有能量逸出的情況下，很難對(duì)黑洞進(jìn)行成像。

解決辦法是觀察，不是觀察黑洞本身，而是觀察它投下的陰影。在事件視界之外，所涉及的巨大力量將使周圍的氣體和其他材料過(guò)熱，并扭曲時(shí)空本身。如果——像 M87 一樣——黑洞位于較亮的發(fā)光氣體區(qū)域的中間，引力彎曲會(huì)導(dǎo)致形成陰影。

這就是這張新圖像捕捉到的陰影，一個(gè)位于發(fā)光氣體云中心的墨汁坑。即便如此，黑洞本身也比陰影小得多：實(shí)際上大約小 2.5 倍。盡管如此，它仍有大約 250 億英里寬。

沒(méi)有一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)度足以看到 M87

“多年前，我們認(rèn)為我們必須建造一個(gè)非常大的太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)成像黑洞，”宇航局華盛頓總部天體物理學(xué)部主任保羅赫茲談到新發(fā)現(xiàn)時(shí)說(shuō)。雖然這并非不可能——而且宇航局確實(shí)正在開(kāi)展一些超強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目——但它使捕捉黑洞圖像成為一種遙遠(yuǎn)的可能性。事實(shí)上，一臺(tái)能夠看到 M87 運(yùn)行中的望遠(yuǎn)鏡可能距離實(shí)現(xiàn)還有幾十年的時(shí)間。

相反，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向小組工作來(lái)超越這一估計(jì)。事件視界望遠(yuǎn)鏡 (EHT) 不是一臺(tái)儀器，而是結(jié)合了八臺(tái)儀器的數(shù)據(jù)，實(shí)際上形成了一種超級(jí)強(qiáng)大的 M87 成像方式。

ALMA、APEX、IRAM 30 米望遠(yuǎn)鏡、James Clerk Maxwell 望遠(yuǎn)鏡、大型毫米波望遠(yuǎn)鏡 Alfonso Serrano、亞毫米波陣列、亞毫米波望遠(yuǎn)鏡和南極望遠(yuǎn)鏡都是 2017 年 4 月進(jìn)行的綜合觀測(cè)。這些儀器都不是物理連接。相反，他們將數(shù)據(jù)保存到高性能硬盤驅(qū)動(dòng)器上，這些信息由馬克斯普朗克射電天文研究所和麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)整理。

數(shù)據(jù)量也不小。事實(shí)上，每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡每天大約捕獲 350 TB 的數(shù)據(jù)。EHT 團(tuán)隊(duì)沒(méi)有嘗試以數(shù)字方式發(fā)送該信息，而是將驅(qū)動(dòng)器加載到飛機(jī)上，然后將它們飛到超級(jí)計(jì)算機(jī)的位置。

時(shí)間就是一切

八臺(tái)望遠(yuǎn)鏡協(xié)同工作，關(guān)鍵是讓每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確對(duì)齊。每個(gè)人都使用原子鐘來(lái)精確記錄每次觀察的時(shí)間。這些時(shí)鐘使用氫脈澤來(lái)提高準(zhǔn)確性，它依靠單個(gè)氫原子來(lái)測(cè)量頻率。

結(jié)果就是 EHT 項(xiàng)目所描述的“虛擬地球大小的望遠(yuǎn)鏡”。它主要使用射電望遠(yuǎn)鏡，但同時(shí)也記錄了 X 射線和伽馬射線波段的觀測(cè)結(jié)果。

“EHT 觀測(cè)使用一種稱為超長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法 (VLBI) 的技術(shù)，該技術(shù)使世界各地的望遠(yuǎn)鏡設(shè)施同步，并利用我們星球的自轉(zhuǎn)形成一個(gè)巨大的地球大小望遠(yuǎn)鏡，以 1.3 毫米的波長(zhǎng)進(jìn)行觀測(cè)。VLBI 允許 EHT 實(shí)現(xiàn) 20 微角秒的角分辨率——足以從巴黎的人行道咖啡館閱讀紐約的報(bào)紙“EHT

不僅僅是望遠(yuǎn)鏡陣列需要工作。EHT 團(tuán)隊(duì)還需要為在兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)位置處理的數(shù)據(jù)創(chuàng)建自定義處理算法，以便從捕獲的數(shù) TB 中做出有意義的事情。

可縮放的望遠(yuǎn)鏡

雖然第一張黑洞圖像可能是一個(gè)巨大的里程碑，但這只是 EHT 團(tuán)隊(duì)希望完成的工作的開(kāi)始。雖然今天可能有八個(gè)地點(diǎn)在線，但很快該陣列將進(jìn)一步擴(kuò)展。三臺(tái)新望遠(yuǎn)鏡——IRAM NOEMA 天文臺(tái)、格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和基特峰望遠(yuǎn)鏡——將上線并加入黑洞搜尋。

當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，項(xiàng)目的期望是“顯著增加敏感性”。不僅如此，它還將更加靈活。不同地區(qū)的不同望遠(yuǎn)鏡受天氣、季節(jié)條件和其他因素的影響。盡管有這些考慮，增加可以在任何時(shí)間運(yùn)行的儀器數(shù)量將使 EHT 可以捕獲數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍更廣。

目前，科學(xué)家們正在研究第一批信息，新的發(fā)現(xiàn)很可能會(huì)跟隨黑洞照片。懸而未決的問(wèn)題包括諸如被吸入黑洞的能量究竟去了哪里，以及為什么圍繞它們的粒子可以形成如此高能量的噴流等謎團(tuán)。需要大望遠(yuǎn)鏡才能回答的大問(wèn)題。