黑洞看上去是什麼樣的？什麼望遠鏡能做這樣的觀察？觀測中可能遇到什麼問題？
2019年4月10日，世界各地的天文學家們正鼓足幹勁，大膽嘗試拍攝第一張黑洞圖像。這一大膽的想法需要國際合作來構建一架口徑如地球大小的望遠鏡，並可能徹底改變我們對引力的認識。
圖解：位於M87中心的超大質量黑洞，推估質量達太陽的數十億倍。這是人類史上第一張直接對黑洞觀測的天文影像，由事件視界望遠鏡所拍攝，發表於2019年4月10日。
那麼黑洞實際看上去是什麼樣的？什麼望遠鏡能做這樣的觀察？觀測中可能遇到什麼問題？
黑洞看上去是什麼樣的？
天文學家們認為，大部分像我們銀河系這樣的星系的中心都有特大質量黑洞。特大質量是一個官方術語，它表示太陽質量的幾十萬到幾十億倍。銀河系中心的特大質量黑洞是人馬座A*，它的質量是太陽質量的400萬倍，卻擠在一個直徑不到日地距離三分之一的空間裡。
圖解：大麥哲倫雲面前的黑洞（中心）的模擬視圖。請注意引力透鏡效應，從而產生兩個放大，以星雲最高處扭曲的視野。銀河系星盤出現在頂部，扭曲成一個弧形。
儘管黑洞如預期那樣普遍存在，以及在我們銀河系後院裡也有一個特大質量黑洞，從未有人直接描繪過黑洞。因為從黑洞這一名稱可知，它們是黑的，意味著它們如此稠密以至於光線無法逃離。在愛因斯坦的廣義相對論方程中，預言了在如此稠密物體的周圍，引力牽引作用非常強，會使它們周圍的空間彎曲，導致光線遵循彎曲的路徑。
德國天文學家卡爾·史瓦西進一步斷定，當你逐漸接近一個黑洞，這種彎曲終究會變得如此強烈，以至於光線會折回黑洞內部，不能逃離。這一標誌著不能返回的邊界被稱為事件視界，有時也被稱為史瓦西半徑。不論勞倫斯·菲什伯恩（電影《黑洞表面》演員）告訴你什麼，一旦你越過黑洞的事件視界，你就再也回不來了。不過，你還是可以看看我上一集講掉進黑洞裡會發生什麼。
即使沒有直接的觀測結果，我們也能根據觀察以不同方式推斷出黑洞的存在。追蹤圍繞銀河系中心運行的恆星的運動，舉個例子，為了解釋那些恆星移動的速率，科學家們揭示出有一個巨大但那光學上不可見的物體存在於那裡。天文學家安德裡亞·蓋茲領導了這項工作的大部分工作，你可以在她的研究小組的網站上觀看這些圍繞銀河系中心特大質量黑洞的恆星運動時的動畫。
如果特大質量黑洞正在積極地吸積物質，我們也能間接看到它們。當物質掉入黑洞，會形成一個非常熱的漩渦盤。當新加入的物質撞擊圓盤，會以X射線形式放出高能光子，那樣就可以被觀測到。當然，去年一個全新的觀測方法被引入，首次引力波探測，揭示了兩個正在合併的中等質量黑洞。
圖解：人馬座A*（中央）與兩個光回波（圈內）
但是所有這些方法只能間接觀測黑洞。4月5日至4月14日進行的一項實驗將試圖直接描繪我們黑洞（人馬座A*）的事件視界。當類似氣態和塵埃的物質接近黑洞，它會加速並釋放能量，在事件視界的位置可以看到環形或新月狀。黑洞會給環的一部分投上陰影，陰影暗藏著黑洞質量和尺寸的線索。愛因斯坦的廣義相對論預測這些陰影的形狀為圓形，這是對觀測結果能被直接測量的預言。
什麼望遠鏡能觀測黑洞？
什麼望遠鏡能做這樣的觀察？天文學家們需要一架口徑如地球大小的望遠鏡，他們通過使用多個望遠鏡同時觀測來達到這一目標，這些望遠鏡遍布全球，從南極到亞利桑那州，從夏威夷到西班牙。這一望遠鏡陣列，包括最近位於智利沙漠中的阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列，被統稱為事件視界望遠鏡。所有這些望遠鏡都工作在1.3毫米波長，換句話說，將在射電波段收集數據，這種波長能夠穿透已知環繞我們（銀河系）中心黑洞的厚塵埃。
「天文學家們將需要一架口徑如地球大小的望遠鏡。」
每臺望遠鏡收集的數據將儲存在硬碟上，然後通過飛機送往波士頓附近的MIT海斯塔克天文臺。在那裡，信號通過一臺相當於約800個CPU互連的超級計算機進行合併。更多關於天文學家如何將多個小型望遠鏡合併成一個大型望遠鏡的信息，請查看我鈦物理播客上關於幹涉測量學的作品。
之所以要用到如此多的望遠鏡，是為了創造良好的觀測條件，一臺望遠鏡可以達到的角解析度同它的口徑有關。望遠鏡越大，或者本案中，望遠鏡陣列裡單個望遠鏡之間的距離越遠，在天空中就能看到更精細的細節。即將進行的觀測有望達到小於50微秒的解析度，相當於你在紐約的一所公寓裡，能夠近距離感到坐在洛杉磯那兒的桌旁讀25美分硬幣上的字。相比之下，它的解析度是哈勃空間望遠鏡所見的2000倍。
存在什麼問題？
雖然射電波段的觀測最有可能穿透黑洞周圍的塵埃，地球大氣裡的水汽仍能影響結果圖像的清晰度。眾多不同的望遠鏡介入，要求每個地點的天氣都是晴朗的。
每一個數據集都被印上時間標記，然後發送到超級望遠鏡集中處理。來自不同望遠鏡的信息最後集合在一起需要非常精確的原子時鐘。時鐘是特製的氫原子鐘。這些時鐘必須達到每秒誤差小於一皮秒的精度。
觀測後的數據處理量如此之大，以至於2018年仍得不到最終圖像。但這將對我們理解像引力這樣基礎的概念起著重大影響。
事件視界真實存在嗎?關於光在極端引力存在下如何表現的理論正確嗎?黑洞是如何吸積壯大自己的?天文學家們觀察到的大規模準直等離子體噴流在黑洞周圍是如何形成的?
如果實驗成功，事件視界望遠鏡項目的科學家們計劃將觀測目標定位於巨型橢圓星系M87中心的特大質量黑洞。儘管距離更遠，這一黑洞的質量估計是太陽質量的60億倍，也就是人馬座A*質量的1500倍。愛因斯坦的理論還正確嗎？敬請期待……
相關知識
位於銀河系中心，被認為是一個超大質量黑洞。人馬座A*可能就是此超大質量黑洞的位置。圍繞人馬座A*的星體的速度比銀河系內其他星體的速度都要高。其中一顆稱為S2的星體，就是以秒速5000公裡圍繞人馬座A*。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.quickanddirtytips-Perry- Sabrina Stierwalt
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