逃離宇宙的出口:歷史性黑洞成像努力的故事

經過十多年的努力,全球射電望遠鏡網路揭示了時空中神秘黑洞的首張照片

FIRST-EVER IMAGE of the shadow of the supermassive black hole at the heart of the galaxy Messier 87.

有史以來第一張室女座A星系中心超大質量黑洞陰影的影像。

事件視界望遠鏡 (CC 署名 4.0)

它真的成功了。

事件視界望遠鏡(EHT)聽起來一直像是一個不太可能實現的提議:建立一個虛擬的地球大小的望遠鏡來拍攝黑洞陰影的照片。這句話的每一個部分都有些荒謬。

但它成功了。經過十多年的技術開發、籌款、天文學家組織和望遠鏡操控,EHT的天文學家們揭開了黑洞的第一張照片——一個純粹引力的氣泡,時空中的一個洞,廣義相對論的一個預測,奇怪到阿爾伯特·愛因斯坦本人長期以來都拒絕相信這個概念是可能的。


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在四大洲的六場同步新聞釋出會上,天文學家們在投影螢幕上點亮了一張影像,至少對專家來說,這張影像是清晰無疑的:一個黑暗的圓圈,周圍環繞著一圈光和不對稱的火熱斑點,這些物質團塊被加熱到 1 億度,並以接近光速的速度繞黑洞旋轉。

從技術上講,這是一張黑洞陰影的照片:具體來說,是一個超大質量黑洞——一個 65 億太陽質量的巨獸——距離地球 5500 萬光年,位於室女座A星系的中心。黑洞會捕獲所有落入其中的物質,包括光,這就是它們是黑色的原因。從某種意義上說,它們從根本上是看不見的,是通往……嗯,那部分尚不清楚的單向宇宙逃生艙口。但由於它們扭曲時空的方式,它們在環繞它們的熾熱超熱物質上投下了一個黑暗的輪廓。這就是 EHT 在近四年前的觀測執行中捕獲並在兩年後向世界揭示的難以想象的景象。

自 20 世紀 60 年代以來,當間接天文證據和理論物理學的突破使黑洞的存在幾乎無可否認時,這些物體一直處於一種認知論的邊緣狀態:它們是對各種其他無法解釋的現象最可能的解釋,但沒有人抱有看到它們的希望。

這種情況在 20 世紀 90 年代後期發生了變化,當時世界各地的天文學家開始在夏威夷、墨西哥、智利和南極洲的高地上建造強大的高頻射電天文臺。理論天體物理學家計算出,從理論上講,使用一種稱為甚長基線干涉測量的技術將這些望遠鏡聯合起來,將使他們能夠看到足夠巨大且靠近地球的超大質量黑洞的陰影。最大的獎項一直是人馬座 A*,銀河系中心的四百萬太陽質量黑洞。人馬座 A* 仍然看不見——至少公眾看不見。但是,室女座 A87,唯一另一個在 EHT 掌握範圍內的已知黑洞,已被捕獲。

通常像這樣重大的科學發現會提前洩露,但這一次天文學家們出人意料地保持了嚴格的控制。國家科學基金會(NSF)主任弗朗西斯·科爾多瓦——多年來在 EHT 上投資超過 2800 萬美元——在 2019 年 4 月 10 日上午的新聞釋出會上第一次看到了這張照片。她感動得流下了眼淚。

NSF 和其他資助機構承諾 EHT 的結果將是“開創性的”,它確實是——黑洞定義特徵事件視界存在的第一個直接證據。但是,任何希望這張影像能夠削弱愛因斯坦鐵板一塊的廣義相對論的人都會感到失望:黑洞看起來幾乎與這個百年理論所說的一模一樣。

但這照片僅僅是一個開始。自 2017 年的觀測以來,EHT 陣列的規模和敏銳度已經增長,一個新的望遠鏡加入,另一個望遠鏡正在路上,並且在每個站點安裝了更強大的數字訊號處理硬體。正如阿姆斯特丹大學的天體物理學家塞拉·馬科夫在新聞釋出會上所說,未來各種新型望遠鏡將加入 EHT,以在無線電、X 射線、伽馬射線、紅外線和光學等多個不同波段同時觀測室女座 A87、人馬座 A* 和其他黑洞。

還值得注意的是,在新聞釋出會後的兩個小時內,至少有六篇關於觀測的科學論文線上發表。它們幾乎肯定包含著線索和新問題,這些問題需要比 24/7 新聞週期所能容忍的更多時間來處理。不過,就目前而言,值得停下來片刻,思考自然的奇異之處,以及這些在後院太陽系中的一個小世界上有感知能力、使用工具的兩足動物,不知何故設法將他們的星球變成了一架望遠鏡,並拍攝了一張逃離宇宙的出口的照片,這個非凡的事實。

賽斯·弗萊徹大眾科學的首席專題編輯。他的著作愛因斯坦的陰影(Ecco,2018),關於事件視界望遠鏡和拍攝黑洞第一張照片的探索,曾在紐約時報雜誌上節選,並被紐約時報書評版評為編輯之選。他的著作瓶裝閃電(2011)是關於鋰離子電池發明和 21 世紀電動汽車復興的第一個權威性描述。他的作品曾發表在紐約時報雜誌紐約時報專欄版、大眾科學財富男士雜誌戶外和其他出版物上。他的電視和廣播節目包括哥倫比亞廣播公司的面對國家、美國國家公共電臺的新鮮空氣、英國廣播公司世界廣播服務、以及美國國家公共電臺的早間新聞科學星期五市場The Takeaway。他擁有密蘇里新聞學院的碩士學位,以及密蘇里大學的英語和哲學學士學位。

更多作者:賽斯·弗萊徹
SA 特刊 第 28 卷 第 5 期本文最初以“終於,黑洞的面孔”為標題發表於SA 特刊 第 28 卷 第 5 期 (), p. 36
doi:10.1038/scientificamericantopstories1219-36
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