去年，我们终于拍摄到了黑洞。现在怎么办？

谢泼德·多尔曼花了近十年的时间才完成这项不可能的任务。作为事件视界望远镜 (EHT) 的负责人，他花了数年时间将装满硬盘的行李箱运往世界各地，协调包括南极洲在内的四大洲射电望远镜之间的观测。2019 年 4 月 9 日，这项合作终于公布了他们的劳动成果，全世界看到了第一张黑洞图像。

这一壮举代表了天文技术的一项伟大成就，1973 年，先驱黑洞理论家詹姆斯·巴丁 (James Bardeen) 称其为无望。但在数据处理完成、香槟开启之后，EHT 合作在某种意义上就像那只追上汽车的狗。哈佛大学理论物理学家安德鲁·斯特罗明格 (Andrew Strominger) 说：“他们这么快就得到了如此好的图像，这让所有人都有些惊讶。谢泼德和迈克尔 [哈佛-史密森天体物理学家兼 EHT 协调员约翰逊] 问我这件事。‘我们拿它做什么？我们拍了照片，接下来做什么？’”

现在，斯特罗明格和一个由理论家、实验家和一位哲学家组成的跨学科研究小组带着一个疯狂的答案回来了，该答案上周发表在《科学进展》上。借助足够远的望远镜，EHT 合作小组可以辨别从黑洞周围流出的光线的多次反射。通过对这些杂乱光线的精确模式进行分类，天文学家可以直接测量黑洞的基本特性，并以前所未有的方式对爱因斯坦的引力理论进行压力测试。基本上，他们希望黑洞会变得更像恒星和行星：不仅仅是供人思考的物体，而是可以直接观察的物体。

参与这项研究的哈佛大学理论学家亚历克斯·卢普萨斯卡 (Alex Lupsasca) 表示：“对我来说，这些物体只是一些方程式，我试图在脑海中用数学的方式将它们形象化。但现在，我们得到了它们的真实图像。”

研究团队利用爱因斯坦的广义相对论和前所未有的分辨率模拟，进行了纸上计算，以分析黑洞对光线的影响。剧透警告：事情变得怪异。“黑洞，它们在所有事情上都是最好的，”卢普萨斯卡说。其中包括将光线弯曲成环。

作为物理定律允许的最致密物体，黑洞具有巨大的宇宙引力，物理学家早就知道，黑洞笼罩在光壳中。地球可能会吸引路过的太空岩石——将其拉入几条轨道后再逃入太空——而黑洞可以捕获真正的光粒子。任何撞入黑洞的东西都会永远困在里面，但靠近边界的光子可以绕黑洞转几圈。“这就是时空扭曲的本质，”卢普萨斯卡说。

斯特罗明格、卢普萨斯卡和他们的同事计算的正是光壳的具体结构，以及它从地球上看起来的样子。

它的工作原理如下。当光线接近黑洞时，黑洞可怕的引力会将它们拖入轨道。从特定距离经过的光线会绕黑洞转半圈，然后逃逸到太空中。从更近一点经过的光线可能会绕一整圈，然后再返回原点。从更近一点经过的光线可能会转一圈半，其他的可能会转两圈，依此类推。这些无限多的光线群都可以形成一个图像（如果它们射入相机或眼球），因此黑洞可以产生无数个这样的图像。斯特罗明格将这种迷幻效果比作站在两面百货商店镜子之间，看到自己的影像延伸到远处。

他说：“在一个完美的世界里，用一架完美的望远镜，你看着黑洞，不仅会看到无数个嵌套的自己的图像，还会看到整个宇宙的图像。”

但 EHT 和所有望远镜一样，并不完美。它也不完全是望远镜，从技术上讲是干涉仪。干涉仪的工作原理是比较从两个不同位置对远处点的观测结果。两个位置相距越远，它们能分辨的物体特征就越精细。由于连续的黑洞反射（在观察者看来是环状的）越来越薄，天文学家需要利用更远的天文台来观测它们。不幸的是，由于夏威夷、智利、西班牙和南极都有设施，EHT 的空间已经不够了。“为了看到第一张图像，他们已经用完了整个地球，”斯特罗明格说。

为了发现反射环，EHT 还必须走得更远。研究作者总结说，最终合作应该在他们的网络中增加一个太空天文台。只需一个就可以了。绕地球运行的卫星可以清楚地发现第一个环，绕月球运行的硬件可以看到第二个环。如果他们能将航天器送到地球和太阳之间的一个位置，即第二拉格朗日点（即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的目的地），他们就能分辨出前三个环。这样的任务可能要花费几亿美元——虽然昂贵，但远不及最大的科学项目那么昂贵。“这是总有一天会有人做的事情，”卢普萨斯卡说。“这只是时间问题。”

有了这些钱，天体物理学家们就可以买到大量的黑洞知识。对黑洞环的观察将立即成为广义相对论的首次检验，在引力足以将光线弯曲成全环的环境中。黑洞环变窄的方式非常精确，因此任何偏差都表明发生了一些奇怪的事情。“没有回旋余地，”卢普萨斯卡说。“你去那里做测量，结果要么符合理论，要么不符合。”

很少有理论家认为爱因斯坦最成功的理论会被推翻。相反，他们更期待这些光环能揭示出关于这两个距离足够近、可以用这种方式成像的黑洞的信息。天文学家有几种测量黑洞基本特性的方法，比如它的质量和自旋，但他们必须做出很多假设才能做到这一点。光环的图案只取决于黑洞——与附近发光的等离子体和碎片无关——因此，这样的观测可以为物理学家提供一种更清晰的方式来回答他们关于这些神秘物体的最基本问题。

而这项分析仅仅是个开始。去年夏天这项研究成果发布后（在同行评审之前），它引发了一系列后续研究，物理学家们竞相充实理论。“这强调了我们还没有探索许多很酷的细节，这让我们对可能的新特征感到兴奋，”哈佛大学研究生伊丽莎白·希姆维奇 (Elizabeth Himwich) 说，她分析了光的类型如何从一个环交替到另一个环。

卢普萨斯卡将未来的努力比作生物学的早期阶段。“在你想了解如何对 DNA 进行测序并使用 CRISPR 复制和编辑 DNA 之前，你首先要走进树林，说‘那是一棵树，那是一朵花’，”他说。“这就是我们作为一门实验科学研究黑洞物理学的现状。”