如何拍摄黑洞的照片

对于可能根本不存在的东西，黑洞为现代物理学做出了巨大贡献。这些致密质量区域（密度如此之高，甚至连光都无法逃脱其引力场）是广义相对论的主要基础，并为我们自认为了解的星系运作方式提供了许多信息。对于我们从未真正见过的现象，要求太高了。

再说，从定义上讲，看到黑洞是一个很难实现的想法。没有反射光，黑洞就看不见了，而真正有趣的超大质量黑洞隐藏在星系中心，这一事实使问题更加复杂。你需要建造一个地球大小的望远镜才能拍摄到黑洞的图像。这正是麻省理工学院海斯塔克天文台助理主任谢泼德·多尔曼和他在事件视界望远镜 (EHT) 的同事们正在尝试做的事情。

虚拟望远镜，其数据收集表面大小与行星相当。EHT 是一个国际项目，旨在拍摄黑洞的第一张照片，具体来说是人马座 A*，这个黑洞被认为潜伏在我们银河系的中心。爱因斯坦的广义相对论说它就在那里，对附近星系结构的其他观测也强烈暗示了它的存在。爱因斯坦甚至告诉我们它应该是什么样子。但第一次真正看到它会告诉我们关于时空本身的性质的各种事情，它还会告诉我们相对论是否正在宇宙的核心中崩溃。从本质上讲，拍摄黑洞的图像是对广义相对论本身的测试——对我们所知的现代物理学的测试。

“黑洞仍是理论构造，它们有点像宇宙世界的独角兽，”多尔曼说。“有很好的证据表明它们存在，我们最好的测试案例是在我们银河系的中心，那里潜伏着一个 400 万太阳质量的黑洞。但我们还没有看到它。要问爱因斯坦是否正确，你必须去宇宙中最极端的环境，也就是黑洞的边界。”

要实现这一目标，需要新技术、老办法以及未来几年内投入使用的全新射电望远镜阵列。但 Doeleman 和 EHT 的合作者现在相信，几年前还无法想象的事情现在已触手可及，因为技术已经将久经考验的天文技术变成了一种工具，让我们可以首次一睹爱因斯坦关于引力最剧烈表现的设想。

这种技术就是超长基线干涉测量法 (VLBI)，它让 EHT 团队无需建造任何东西就能建造一个地球大小的望远镜。通过将来自世界各地的射电望远镜的数据输入超级计算机，他们可以创建一个成像面积相当于整个星球大小的望远镜，让他们能够以无线电波长捕捉图像，分辨率应该能让他们直视银河系的中心。

想象一下 VLBI：你站在银河系的中心，看着位于银河系边缘的地球。现在，把地球想象成一面镜子，但只有表面上有射电望远镜阵列的地方是抛光的——这面行星大小的镜子的其余部分都是黑色的。这些抛光点是镜子上唯一可以收集数据的地方。这面稀疏的镜子无法为从另一端窥视的人提供非常完整的画面。

但现在想象一下地球在旋转。镜头的抛光部分——收集数据的部分——开始缓慢地穿过镜子的黑色区域，随着地球的旋转和季节性倾斜继续，从其表面的不同点收集数据。最终，望远镜——全球各地都有很多——从镜头的各个位置收集数据，只是不是同时收集。经过数月和数年，这些数据足以拼凑出一个相当详尽的视图，大致相当于地球大小的望远镜镜子捕捉到的视图。

这就是 VLBI。通过将来自许多望远镜的数据连接在一起，EHT 可以生成一个虚拟望远镜，其数据收集表面与行星大小相当。它们的数据由氢原子钟打上时间戳，确保在有足够的计算能力的情况下，所有无线电数据都可以整齐地拼接成一幅图像。只要有足够的时间，随着越来越多的射电望远镜投入使用，这幅图景就会变得越来越清晰。

至少在一定程度上是这样。几十年来，天文学家一直在使用 VLBI，但像 EHT 这样的项目以前是不可能实现的。当时的技术根本就不够成熟。现在甚至还没有成熟，但 Doeleman 和他的 EHT 同事已经非常接近成熟，可以开始收集数据了。

“我们有机会进行五年前不可能进行的测量，”Doeleman 说。“在过去五年中，我们开发了仪器，可以在最高频率下进行 VLBI，从而获得非常好的分辨率。我们现在还可以使用大带宽。我们现在可以使用的带宽不再是几百兆赫，而是几千兆赫。你可以认为这会带来更多的能量，更多的来自黑洞本身的光子。这意味着我们的灵敏度大大提高。因此，更高的灵敏度和更多环绕地球的望远镜让我们能够做到五年前无法做到的事情。现在，这项技术已经到了关键的阶段，关键在于实施，而不是建立新的系统。”

这项技术进步的一大亮点是未来几年将在智利北部投入使用的新型阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列 (ALMA)。ALMA 的 66 个精密天线将连接在一起形成一个巨大的射电望远镜——一种 VLBI 的缩影——这将是地球上最灵敏的亚毫米设施。

“这一举措将使事件视界望远镜的灵敏度提高十倍，”多尔曼说，“这将使我们观察微小细节的能力提高两倍。”

但是，当观察一个不允许光线逃逸的黑洞时，EHT 会观察到什么？它如何能想象出看似无法想象的东西？爱因斯坦对此也有答案。

“黑洞的引力场非常强，它把所有的尘埃、气体和物质都吸引过来，”Doeleman 说。“但它试图把所有物质都挤进一个非常小的空间，以至于它变得非常热，并开始辐射——以 X 射线、光学和无线电的形式。它是整个光谱中非常明亮的发射源。”

换句话说，Doeleman 说，我们之所以能看到黑洞，是因为黑洞是个杂乱无章的吞噬者——它被辐射物质环绕，这种“发光汤”尚未落入黑洞，但在事件视界处闪闪发光。但究竟是什么样子尚不确定，这将是对相对论的激动人心的检验，因为相对论告诉我们它应该是什么样子。爱因斯坦推测，黑洞的引力应该非常强，以至于它能将光线透镜化。因此，虽然我们看到的一些来自发光汤的光线会自然地从黑洞正面射向我们，但黑洞也会使光线围绕自身弯曲，让我们看到来自黑洞背面的光线，在正常情况下，这些光线会朝相反方向传播。

如果相对论是正确的，那么所拍摄的图像应该会显示一个完美的圆形光环——一个围绕黑洞弯曲的透镜光晕——包裹在中间一个昏暗的空间周围。爱因斯坦把中心的这个黑点称为“阴影”。Doeleman 说，在最近于图森举行的 EHT 合作伙伴会议上，所有与会的物理学家和理论家都一致认为，找到这个阴影——并验证或反驳爱因斯坦的预测——应该是科学界的首要任务。毕竟，通过一张图片，我们不仅可以最终证明黑洞的存在，还可以证实或彻底颠覆我们理论上对我们银河系中心以及宇宙其他地方星系所发生的一切的了解。

“我们正在寻找一张能够显示强大引力效应的图像，我们正在寻找这个阴影，”多尔曼说。“当我们最终拍摄照片时，如果我们看到这个阴影，那将是一个令人惊叹、令人心醉神迷的结果。”