黑洞的首次近距离观测

编者注：2019 年 4 月 10 日，事件视界望远镜发布了有史以来第一张黑洞图像。

当天体物理学家让-皮埃尔·卢米内特向世界展示黑洞的样子时，他还没有超级计算机。他只有一台 IBM 7040 和一堆打孔卡。他从理论上知道黑洞不发光。但是，围绕黑洞旋转的物质——从恒星中剥离的尘埃和气体——在它死亡之前一直闪耀着光芒。卢米内特认为，这些物质发出的光会描绘出黑洞的形状，包括其极端引力造成的时空扭曲。

当冰箱大小的 IBM 在 70 年代末吐出结果时，卢米内特用墨水和钢笔手工绘制了一幅图像。他看到了黑洞的事件视界，即任何东西都无法逃脱的边界；以及一个吸积盘，即从附近恒星吸走的物质聚集体。尽管黑洞只有一个盘，但引力像哈哈镜一样扭曲了它的外观，变成了两个垂直的盘。它们在更靠近黑洞的地方显得更亮，在其中一侧比另一侧更明亮。

大约四十年后，卢米内特关于黑洞预测的基本原理仍然成立。但他的图像和所有其他图像都是画作，而非照片。这种情况即将改变。事件视界望远镜（EHT）的科学家们很快将发布我们银河系中心超大质量黑洞人马座 A*（发音为“A 星”）的真实肖像。作为备用，他们还拥有附近星系 M87 中另一个黑洞的数据。这张图像可以帮助揭开宇宙中最神秘的天体之一的神秘面纱，甚至有助于解释银河系等星系的形成和演化。

EHT 不仅仅是一台望远镜：它是由夏威夷、亚利桑那州、西班牙、墨西哥、智利和南极洲的八台射电望远镜组成的网络。天文学家们校准这些仪器，同时研究同一个天体。然后，科学家们将这八个天线的数据组合成一个图像，看起来就像来自一台与望远镜之间最远距离一样大的望远镜。换句话说，他们创建了一个地球大小的虚拟望远镜。

这被称为甚长基线干涉测量，或 VLBI。但其中有一个诀窍。根据 EHT 主任谢普·多莱曼的说法，“VLBI 的秘密武器，让它发挥作用的关键，是我们参与观测的每台望远镜都放置了一个原子钟。”

当每台望远镜盯着人马座 A* 时，数据都会被原子时间标记，就像下班打卡一样。然后，科学家们将例如格林威治时间下午 5:13 获取的每一位数据与所有其他格林威治时间下午 5:13 获取的位数据对齐。

然而，为了进行这种对齐，这些打卡的数据必须亲自在中央设施汇合。研究人员通常在线共享他们的数据，但这项工作涉及大量拍字节的数据，对互联网来说太大了。“唯一能传输[数据]的方法是空运硬盘，”多莱曼说。研究人员称之为“Sneakernet”（运动鞋网络），这是终极的模拟-数字混合体。

该团队于 2017 年 4 月使用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）进行了首次真正的观测运行。它是一种功能强大的武器，足以让 EHT 窥视时空中的一个破洞。驾驭这种秘密武器并不简单。天文学家必须将 ALMA 的 66 个天线的数据组合成一个单一的记录，然后才能将其与其他望远镜的观测结果结合起来。

尽管如此，即使有了 ALMA 和将近一年的分析时间，他们还没有制作出照片。这要归咎于一整个大陆：南极洲及其南极望远镜。天文学家不得不等到南半球的春天才能将数据托盘运出。它于 12 月运抵麻省理工学院干草堆天文台进行处理。

为什么一张黑洞快照值得付出所有这些努力？对多莱曼来说，这关乎科学的奇特。“它们确实是宇宙中最神秘的物体，”他说。“没有什么能与之匹敌，也许除了生命本身。”

而生命本身，至少是我们所知的生命，不知道黑洞是什么样子，它们内部发生了什么，这对星系的形成和演化意味着什么，或者这种诞生和成长如何导致，至少在地球上，能够向外看并了解其星系如何运作的生命。

“很少有话题，我们会说我们真的不知道宇宙中那个点发生了什么，”多莱曼说。“其中之一可能是意识。另一个是黑洞。”

[这篇文章最初以“黑洞特写”的形式发表在纸质版上。]