逃离宇宙的出口:历史性黑洞成像努力的故事

经过十多年的努力,全球射电望远镜网络揭示了时空中神秘黑洞的首张照片

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

有史以来第一张室女座A星系中心超大质量黑洞阴影的图像。

事件视界望远镜 (CC 署名 4.0)

它真的成功了。

事件视界望远镜(EHT)听起来一直像是一个不太可能实现的提议:创建一个虚拟的地球大小的望远镜来拍摄黑洞阴影的照片。这句话的每一个部分都有些荒谬。

但它成功了。经过十多年的技术开发、筹款、天文学家组织和望远镜操控,EHT的天文学家们揭开了黑洞的第一张照片——一个纯粹引力的气泡,时空中的一个洞,广义相对论的一个预测,奇怪到阿尔伯特·爱因斯坦本人长期以来都拒绝相信这个概念是可能的。


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在四大洲的六场同步新闻发布会上,天文学家们在投影屏幕上点亮了一张图像,至少对专家来说,这张图像是清晰无疑的:一个黑暗的圆圈,周围环绕着一圈光和不对称的火热斑点,这些物质团块被加热到 1 亿度,并以接近光速的速度绕黑洞旋转。

从技术上讲,这是一张黑洞阴影的照片:具体来说,是一个超大质量黑洞——一个 65 亿太阳质量的巨兽——距离地球 5500 万光年,位于室女座A星系的中心。黑洞会捕获所有落入其中的物质,包括光,这就是它们是黑色的原因。从某种意义上说,它们从根本上是看不见的,是通往……嗯,那部分尚不清楚的单向宇宙逃生舱口。但由于它们扭曲时空的方式,它们在环绕它们的炽热超热物质上投下了一个黑暗的轮廓。这就是 EHT 在近四年前的观测运行中捕获并在两年后向世界揭示的难以想象的景象。

自 20 世纪 60 年代以来,当间接天文证据和理论物理学的突破使黑洞的存在几乎无可否认时,这些物体一直处于一种认知论的边缘状态:它们是对各种其他无法解释的现象最可能的解释,但没有人抱有看到它们的希望。

这种情况在 20 世纪 90 年代后期发生了变化,当时世界各地的天文学家开始在夏威夷、墨西哥、智利和南极洲的高地上建造强大的高频射电天文台。理论天体物理学家计算出,从理论上讲,使用一种称为甚长基线干涉测量的技术将这些望远镜联合起来,将使他们能够看到足够巨大且靠近地球的超大质量黑洞的阴影。最大的奖项一直是人马座 A*,银河系中心的四百万太阳质量黑洞。人马座 A* 仍然看不见——至少公众看不见。但是,室女座 A87,唯一另一个在 EHT 掌握范围内的已知黑洞,已被捕获。

通常像这样重大的科学发现会提前泄露,但这一次天文学家们出人意料地保持了严格的控制。国家科学基金会(NSF)主任弗朗西斯·科尔多瓦——多年来在 EHT 上投资超过 2800 万美元——在 2019 年 4 月 10 日上午的新闻发布会上第一次看到了这张照片。她感动得流下了眼泪。

NSF 和其他资助机构承诺 EHT 的结果将是“开创性的”,它确实是——黑洞定义特征事件视界存在的第一个直接证据。但是,任何希望这张图像能够削弱爱因斯坦铁板一块的广义相对论的人都会感到失望:黑洞看起来几乎与这个百年理论所说的一模一样。

但这照片仅仅是一个开始。自 2017 年的观测以来,EHT 阵列的规模和敏锐度已经增长,一个新的望远镜加入,另一个望远镜正在路上,并且在每个站点安装了更强大的数字信号处理硬件。正如阿姆斯特丹大学的天体物理学家塞拉·马科夫在新闻发布会上所说,未来各种新型望远镜将加入 EHT,以在无线电、X 射线、伽马射线、红外线和光学等多个不同波段同时观测室女座 A87、人马座 A* 和其他黑洞。

还值得注意的是,在新闻发布会后的两个小时内,至少有六篇关于观测的科学论文在线发表。它们几乎肯定包含着线索和新问题,这些问题需要比 24/7 新闻周期所能容忍的更多时间来处理。不过,就目前而言,值得停下来片刻,思考自然的奇异之处,以及这些在后院太阳系中的一个小世界上有感知能力、使用工具的两足动物,不知何故设法将他们的星球变成了一架望远镜,并拍摄了一张逃离宇宙的出口的照片,这个非凡的事实。

赛斯·弗莱彻大众科学的首席专题编辑。他的著作爱因斯坦的阴影(Ecco,2018),关于事件视界望远镜和拍摄黑洞第一张照片的探索,曾在纽约时报杂志上节选,并被纽约时报书评版评为编辑之选。他的著作瓶装闪电(2011)是关于锂离子电池发明和 21 世纪电动汽车复兴的第一个权威性描述。他的作品曾发表在纽约时报杂志纽约时报专栏版、大众科学财富男士杂志户外和其他出版物上。他的电视和广播节目包括哥伦比亚广播公司的面对国家、美国国家公共电台的新鲜空气、英国广播公司世界广播服务、以及美国国家公共电台的早间新闻科学星期五市场The Takeaway。他拥有密苏里新闻学院的硕士学位,以及密苏里大学的英语和哲学学士学位。

更多作者:赛斯·弗莱彻
SA 特刊 第 28 卷 第 5 期本文最初以“终于,黑洞的面孔”为标题发表于SA 特刊 第 28 卷 第 5 期 (), p. 36
doi:10.1038/scientificamericantopstories1219-36
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