黑洞的照片是什么樣？為啥當(dāng)下熱衷于研究黑洞假說

4月10日，被物理學(xué)家念茲在茲的黑洞之謎可能揭開，揭開黑洞之謎的行動全球同步。2019年4月10日，美國中部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間15：00(北京時(shí)間4月10日21時(shí))，全球6地(比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓)以英語、西班牙語、漢語和日語4種語言同步召開全球新聞發(fā)布會，公布事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)拍攝的超大質(zhì)量黑洞照片以及相關(guān)研究成果。

黑洞的照片是什么樣，將揭示什么，也許參與研究的科學(xué)家最清楚，但未必完全清楚。但不外乎幾種結(jié)果。一是證實(shí)黑洞存在，但也是一種間接證明;二是證偽，黑洞不存在;三是不清楚，還將繼續(xù)探索。無論是哪種結(jié)果，都必然有其自身的重大意義。

黑洞的概念要追溯到很久以前科學(xué)家對宇宙的探索和思考。1783年，英國地理學(xué)家約翰·米歇爾(John Michell)提出，宇宙中存在一個致密天體，其密度可以大到連光都無法逃逸。1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，提出某些大質(zhì)量恒星會終結(jié)為一個巨大的引力場(即后來所稱的黑洞)，其能量之大連光都會被吸收進(jìn)去。

1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計(jì)算似乎證明了愛因斯坦的引力場方程，其計(jì)算結(jié)果表明，如果大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)(奇點(diǎn))，其周圍會產(chǎn)生一個界面——視界，一旦進(jìn)入這個界面，即使光也無法逃脫。

1968年美國天體物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出了黑洞(black hole)這一術(shù)語來解釋此前許多物理學(xué)家所稱的宇宙中存在的引力場，即致密天體，其基本概念是，黑洞會吸入所有一切，包括光。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”，就是視線所能到達(dá)的界面。

但是，黑洞只是一種假說，沒有確鑿的證據(jù)證明其存在。由于黑洞無法直接觀測，只能憑借間接方式來證明其存在。例如，可以借由物體被黑洞吸入之前的因高熱而放出的γ射線和γ射線的“邊緣信息”來推測黑洞的存在，也可以由間接觀測恒星或星際云氣團(tuán)繞行黑洞的軌跡來獲取黑洞的位置和質(zhì)量的信息。

因?yàn)?，如果黑洞存在，會把周圍恒星的氣體吸引到自己身邊，產(chǎn)生一個圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體盤，即吸積盤。同時(shí)，當(dāng)吸積氣體過多時(shí)，一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，會在磁場的作用下沿轉(zhuǎn)動方向被拋射出去，形成噴流。通過吸積盤和噴流可以知道黑洞的存在以及它的位置。

但是，這也是間接的證據(jù)。更為有力的證據(jù)是為黑洞照相，以圖片來顯示黑洞的存在。要想觀測遙遠(yuǎn)的黑洞，目前人類研制的任何單一天文望遠(yuǎn)鏡都無法辦到。因此，在過去10多年時(shí)間里，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們聯(lián)合了全球多地的8臺天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對黑洞展開觀測，這8臺望遠(yuǎn)鏡就形成了一個有效口徑等于地球直徑的虛擬大望遠(yuǎn)鏡，即事件視界望遠(yuǎn)鏡。

8臺望遠(yuǎn)鏡分別是：南極望遠(yuǎn)鏡、智利的阿塔卡馬大型毫米波陣、智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡、墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡、美國亞利桑那州的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡、夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡、夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡、西班牙的毫米波望遠(yuǎn)鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標(biāo)進(jìn)行了聯(lián)合觀測。

從2018年起，又有格陵蘭島望遠(yuǎn)鏡、位于法國的IRAM NOEMA天文臺和位于美國的基特峰國立天文臺加入后續(xù)的研究和校準(zhǔn)工作。事實(shí)上，給黑洞拍照并非直接拍出黑洞的圖像，而是給出了許多數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算機(jī)處理過程，以拼出圖像。同時(shí)，有些缺失或模糊的部分，需要拼圖。因此，黑洞照片的拍攝和沖洗都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，歷時(shí)兩年多才得出結(jié)果。

過去，物理學(xué)家基普·索恩為科幻影片《星際穿越》中的黑洞“卡岡圖雅”設(shè)計(jì)了一個圖像，是深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓環(huán)?，F(xiàn)在，這個根據(jù)8臺望遠(yuǎn)鏡的拍攝數(shù)據(jù)而衍生出來的黑洞圖片是否與物理學(xué)家想象中的圖像吻合，不得而知。

隨之而來的問題是，黑洞探索究竟是科幻還是具有真實(shí)和現(xiàn)實(shí)的科學(xué)研究意義。其實(shí)，無論證明黑洞的存在與否，探索本身都具有意義。這類探索不只是可以歸結(jié)為人類難以抑制的仰望星空的情結(jié)，而且也與腳踏實(shí)地互為表里。

探索黑洞的存在與否，可以間接推論宇宙是何時(shí)產(chǎn)生，以及如何產(chǎn)生的，由此也能了解宇宙之后地球是如何產(chǎn)生的，有了地球，才有了生物和人類。而且，同樣具有現(xiàn)實(shí)意義的是，了解黑洞也可以知道，宇宙是否因?yàn)榇蟊ǘa(chǎn)生，星系演化是否受到星系中的壯觀噴流的影響，以及可能最現(xiàn)實(shí)的是，黑洞的存在是否會影響到地球上的人類和生物的生存，以及地球的生態(tài)和生物多樣性。如果有影響，科學(xué)會采用什么樣的方式來預(yù)防、避免或者減少這樣的影響。

當(dāng)然，探索黑洞還有更多的衍生意義。既然有黑洞，宇宙中可能也存在白洞，證明了有白洞的存在，也就間接證明了有黑洞的存在。白洞與黑洞正好相反，是一個只發(fā)射能量、不吸收能量的特殊宇宙天體，白洞的力是排斥力，與黑洞的吸引力相反。當(dāng)白洞內(nèi)超密態(tài)物質(zhì)向外噴射時(shí)，會與它周圍的物質(zhì)發(fā)生猛烈的碰撞，釋放出巨大能量。由此推斷，有些X射線、宇宙線、射電爆發(fā)、射電雙源等現(xiàn)象，可能會與白洞的這種效應(yīng)有關(guān)。

另一方面，2015年發(fā)現(xiàn)的引力波也是黑洞探索的衍生意義，或者二者相互印證。這也意味著人類探索星空也可以通過搭積木的方式來完成拼圖。

(作者系科普作家 張?zhí)锟?

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