望远镜尝试观测的其实是黑洞的“事件视界”
超大质量黑洞的模拟图
恒星可以在超大质量的黑洞的猛烈“狂风”中形成。此为模拟图
《星际穿越》中黑洞的模型，光线竟会绕着走
□建平
黑洞，从目前我们已知的信息来看，它是存在于宇宙中的一种密度无限大、体积无限小的天体。据说，由于黑洞能产生极强的引力场，所以黑洞附近甚至连光都会被吸入，无法逃逸。然而4月5日前后，科学家宣称，要给黑洞拍张“照片”。
我们知道，照片的形成正是利用了光的反射原理，既然任何光到了黑洞那里都不会再反射回来，那么，照片如何拍成？
原来，科学家们是在全球不同地区同时启动了8个射电望远镜，组成了一个口径相当于地球直径的“事件视界望远镜”，瞄准了银河系中心的超级黑洞“人马座A*”，准备利用收集到的观测数据，尝试拼出一张黑洞的“照片”，这将有助于人类发现恒星和星系演化的秘密。
●黑洞到底是个啥？
其实我们对“黑洞”并不陌生。在一些科幻片中，我们常常会看到一些场景：比如天空中突然出现一个无形的大洞口，将世间万物都统统吸入，然后消失得无影无踪；又或者，探索外太空的飞船突然失控，被吸入一个时间与空间都发生错乱的地方……这些描述几乎都是在形容“黑洞”的可怕与巨大。在2014年美国的一部科幻片《星际穿越》中，曾出现了一个堪称震撼的黑洞的画面，据悉，该画面是在美国加州理工学院理论物理学家基普·索恩带领着许多位科学家一起，用数月时间绘制而成的一个黑洞模型图，它被称为“有史以来最精准的黑洞模型”。
为什么说这个模型是“最精准的”？是因为它描绘出的黑洞最接近我们的想象，它看上去正以接近光速旋转着，同时将宇宙的物质一点点地吸引过去。我们或许可以这样理解，黑洞本来是一颗巨大的恒星，在最终燃烧结束时，并没有完全地消失，而是像满满的一盆水通过一个极小的排水口全部排空，排到最后时，仍以一种看上去像是旋涡的方式存在，并留下一个“不可逃逸的奇点”——一个密度接近无限大的点——奇点也代表着我们目前完全未知的物理定律。科学家相信，在黑洞的内部，一切已知的物理定律可能都将失效。
事实上，至今也没人真正观察到黑洞的内部世界。我们所能发现的，其实只是那些被黑洞吸引过去、却又侥幸地从黑洞边缘“逃脱”并绕了过去的光，它们构建出一种空间形态，最终在科学家们的电脑上显示为一种复杂特性的图谱。
但如今人们已经发现，这些黑洞其实在宇宙中广泛存在着。它们的质量大多是太阳的几十万至数百亿倍，几乎在每个大星系、包括人类身处的银河系中心，都存在至少一个这样的黑洞。有些巨型黑洞甚至在宇宙极早期就已经存在，但它们带给整个宇宙乃至人类的影响，至今仍是未解之谜。
●为啥要给黑洞拍照？
对于天文学和物理学来说，准备给黑洞“拍照”的“事件视界望远镜”如果能顺利完成任务，将最终“确认黑洞存在的证据”，补充说明了爱因斯坦的广义相对论，并有助于人类发现恒星和星系演化的秘密。
爱因斯坦于1916年发表的广义相对论，用几何语言描述的引力理论，一直代表着现代物理学中引力理论研究的最高水平。他称，质量越大的物体，产生的引力就越大。就像恒星和黑洞这样的物体，它们能产生巨大的引力，导致光线弯曲、时空扭曲。甚至有可能，在离黑洞越近的地方，时间和空间也会越不一样——相对来说，离得越近，时间会过得越慢——这是不是有点像我们古代传说中提到的“天上一天，人间一年”的概念？
13亿年前，当地球还只有低等生命的存在时，遥远外太空已有一颗质量为29倍太阳质量的黑洞，正在与另外一颗36倍太阳质量的黑洞缓慢地靠近，它们相互绕转，最后碰撞并合在一起，由此“拨动宇宙的琴弦”——发出引力波。而人类则在2016年美国当地时间的2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分)，在美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)首次直接探测到了这一束引力波。人们相信，这就是在宇宙尺度上对爱因斯坦广义相对论进行检测与判断的一个重要实验。
LIGO这次对引力波信号波形的分析足足花了几个月的时间，他们认为，根据广义相对论的数学物理推导，在两个黑洞相互接近绕转的过程中，会出现一个随时间变化的四极矩，不断朝外辐射引力波，而引力波的辐射又会把两个黑洞之间的引力势能降低，最终令两个黑洞距离越来越近，接着产生碰撞并合在一起。这一过程会放出大量的引力波能量，引力波信号以光速传播，最后便传递到了地球。他们还发现，引力波是唯一可以在高维时空中传递的波，这点与电磁波完全不同，它的穿透能力可能比中微子更强，或许真能像科幻小说《三体》中描述的那样，被人类用于星际通讯领域。
这一结果之所以让人们如此兴奋，不仅因为它让我们对黑洞的存在有了更多的了解，也让我们对大尺度时空结构信息有了更进一步的全面深入的了解。
●怎样给黑洞“拍照”？
所谓给黑洞“拍照”，其实是利用了黑洞的“事件视界”原理。“事件视界”简单来说，就是在黑洞边界存在光可以逃脱的一个边界。既然有了光的存在，作为观察者，就应该是可以看见这个边界以外的东西的。“事件视界”中还应该蕴含着巨大的能量，此处的量子效应会产生强大的高温粒子流并向外辐射，这就是所谓的“霍金辐射”。正是这些高温状态下的辐射粒子流，让黑洞看起来可能就像是一个发光的陀螺。
但此次拍照的目标是一个位于银河系的中心、被称为“人马座A*”的黑洞。该黑洞质量是太阳质量的400万倍，距离地球2.6万光年。其拍摄难度相当于身处于美国纽约，去辨认在德国大街上的一枚硬币上的日期，又或者是从地球上给月球表面的一个葡萄柚拍照。用普通望远镜当然无法完成这个拍摄任务，但科学家们使用的是一个虚拟望远镜——它依赖于来自全球各地的8个射电望远镜，这些望远镜分布在南极、夏威夷、美洲和欧洲，构建起一个射电天线网络，将模拟望远镜的孔径扩大到相当于地球直径的尺寸。这些望远镜每天接收到的数据可能会超过2000TB，科学家们会把存有数据的硬盘打包运到位于德国和美国的两个数据中心，利用超级计算机计算数个月，最终才能得到一张更高质量和清晰度的黑洞“照片”。
美国国家科学基金会是其中部分望远镜的资助方，他们称，从4月5日开始，这个虚拟望远镜将在10天内尝试观测银河系中心的超级黑洞“人马座A*”，然后天文学家们会用数月时间来整理这10天里所获得的数据，最快应该在2018年能够发表第一张黑洞的“照片”。“这会是一项令人激动并具挑战性的工作，将有助验证一些最基本的物理学理论。”
●什么时候是最佳拍照时机？
黑洞在强大引力场作用下，周围的气体和尘埃不断汇聚，终年都像裹在棉花球里一样。但根据科学家们对黑洞一直以来的观测，已经发现一部分超大质量黑洞并非一直悄无声息。它们在不断吞噬着物质，当聚集形成吸积盘并且产生强有力的喷流时，便会骤然放射出强烈的X射线，同时表现得异常明亮。这一类天体也被称作“活动星系核”，观测它们正是人类解开黑洞之谜的钥匙。在它们处于活跃期给它们“拍照”，无疑是获取信息的最佳时机。
中科院紫金山天文台在2016年12月29日时曾通报，暗物质粒子探测卫星“悟空”观测到代号为CTA 102的一个著名的活动星系核正经历新一轮活跃期，有明显增强的伽马射线爆发现象。该活动星系核于1963年被首次发现，其黑洞质量约为太阳的8.5亿倍，与太阳系距离约为80亿光年。
今年2月，俄罗斯的莫斯科国立大学下属国家天文学研究所的科研人员又称，他们观测到最近几年一个超大质量黑洞的四周数次“发亮”。
英国《皇家天文学会月刊》上还曾报告说，研究人员在2010年至2016年期间借助美国航天局的“雨燕”天文卫星和俄境内的多个天文自动观测站发现，呈螺旋形的NGC2617星系的中心区域存在一个超大质量黑洞，从2010年10月开始，它放射出的X射线的强度曲线在逐渐升高，在2013年和2016年时X射线强度数次出现爆发性高值，此后又迅速降低。
通过观察这些活动星系核，科学家们已经发现，超大质量黑洞在吞噬太过靠近其中心的宇宙物质时，会加热周围的气体，还会以猛烈、密集的“狂风”形式抛射出来一些物质。
英国剑桥大学的罗伯托·麦欧利诺教授说：“这些观测结果已明确显示，恒星正在这些喷流的内部形成。”那些光亮可能正是黑洞近旁的恒星在黑洞引力“撕扯”下崩裂并放出射线导致的。
显然，目前我们的观测也不过仅仅是接近了黑洞的洞口而已，至于黑洞里面究竟是什么情况？黑洞的另一端究竟连接着什么地方？一直旋转着的黑洞究竟拥有多大的能量？更多的谜题还有待科学家们持续地观测，才能寻找到解答的线索。
联系客服
