2018年我們取得了許多突破性的進展，但還有許多基本的大問題依然困擾著我們。2019年，有許多值得期待的科學事件，但最值得期待或許還是我們即將看到黑洞事件視界的第一張圖片。

隨著時間的流逝，人類積累的知識總量只會不斷增加。2015年初，人類還從未探測到引力波；而現在，我們已經探測到了11個，預計2019年可能還會發現數百個。在20世紀90年代初，我們不知道太陽系外是否有行星；今天，我們知道有成千上萬顆這樣的星球，其中一些幾乎可以被認為是與地球類似的。

我們已經找到了標準模型中的所有粒子；我們發現宇宙不僅在膨脹，而且在加速膨脹；我們已經確定了宇宙中存在多少星系。但2019年，一件前所未有的新的事情將會發生：我們將首次描繪出黑洞的事件視界。所有的數據都已就位，剩下的只是時間問題。

○ 這里模擬的是銀河系中心的黑洞，這是我們從地球視角能看到的最大黑洞。2019年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）將首次拍攝到這顆銀河系中央黑洞的事件視界的樣子。白色圓圈表示黑洞的史瓦西半徑。| 圖片來源：UTE KRAUS, PHYSICS EDUCATION GROUP KRAUS, UNIVERSIT?T HILDESHEIM; BACKGROUND: AXEL MELLINGER

一旦知道要尋找什么，黑洞是相當容易被探測到的物體。這似乎有違直覺，因為黑洞本身不發光，但它們確實有三個確鑿無疑的特征，使我們滿懷信心地確定它們就在那里。

• 黑洞在非常小的空間中產生巨大的引力——空間的扭曲/彎曲。如果我們能觀測到大而致密的質量的引力效應，我們就能推斷出黑洞的存在，并有可能測量它的質量。

黑洞強烈影響著它們周圍的環境。它附近的任何物質不僅會感受到強烈的潮汐力，而且會加速和升溫，導致它從事件視界外發出輻射。當我們探測到這種輻射時，我們可以重建為之提供能量的物體的屬性，而這通常只能用黑洞來解釋。

○?黑洞的引力是如此的強大，以至于連光進入到它的掌控范圍都無法逃脫。黑洞的基本結構包括了隱藏在一個事件視界內的奇點。在事件視界內，逃逸速度（V逃逸）超過了光速（c），因此一旦物體落入就永遠被困住了。

• 黑洞可以彼此旋進，并最終合并在一起，導致它們在短時間內釋放出可探測到的引力波。這只能用引力波天文學這項新科學來探測（詳見《時空的秘密》）。

然而，事件視界望遠鏡（EHT）的目標是比這些方法更進一步。不像以上的三種手段，它并不是通過測量來間接推斷黑洞的性質，而是直擊核心——拍攝黑洞事件視界的圖像。這樣做的方法簡單而直接，但從技術角度而言，這直到最近才成為可能。原因是兩個在天文學中通常密切相關的重要因素的結合：分辨率和光收集。

○ 宇宙中最遠的X射線射噴射來自類星體GB 1428，從地球上看，其距離和年齡與類星體S5 0014+81差不多，而后者可能是宇宙中已知最大黑洞的棲居地。這些遙遠的龐然大物被認為是由合并或其他引力相互作用激發的，但只有質量與距離比最大的黑洞才有機會被事件視界望遠鏡分辨。| 圖片來源：X-RAY: NASA/CXC/NRC/C.CHEUNG ET AL; OPTICAL: NASA/STSCI; RADIO: NSF/NRAO/VLA

因為黑洞是如此致密的物體，我們必須達到極高的分辨率。但是因為我們尋找的不是光本身，而是光的缺失，我們需要非常仔細地收集大量的光來確定事件視界的陰影究竟在哪里。

○ 超大質量黑洞的周圍會形成一個由氣體、塵埃和恒星碎片組成的吸積盤。吸積盤的朝向是面朝上（左邊兩張圖）還是邊緣朝上（右邊兩張圖），會極大地改變黑洞在我們看來的樣子。| 圖片來源：'TOWARD THE EVENT HORIZON—THE SUPERMASSIVE BLACK HOLE IN THE GALACTIC CENTER', CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013)

傳統上，分辨率更高的望遠鏡和光收集能力更好的望遠鏡應該是同一臺望遠鏡。望遠鏡的分辨率是由穿過望遠鏡的光的波長數量決定的，所以口徑更大的望遠鏡有更高的分辨率。

同樣的道理，能收集到的光的量是由望遠鏡口徑大小決定的。任何撞擊望遠鏡的光子都會被收集起來，所以望遠鏡的口徑越大，收集光的能力就越強。

分辨率一直是個重大的限制因素。黑洞的外觀大小與其質量成正比，但與它離我們的距離成反比。要想從我們的角度看到最大的黑洞——位于銀河系中心的人馬座A*——需要一個大約相當于地球大小的望遠鏡。

○ 在銀河系核心的超大質量黑洞附近已經發現了大量恒星。除了這些恒星和我們發現的氣體與塵埃，我們預計，在距離人馬座A*短短幾光年的范圍內，將會有超過10000個黑洞存在，但直到2018年初，要找到它們都很困難。要探測到中央黑洞是一項只有事件視界望遠鏡才能完成的任務。| 圖片來源：S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP

顯然，我們沒有足夠的資源來制造這樣的設備！但我們還有下一個優勢：建造一系列望遠鏡的能力。當我們有一個望遠鏡陣列時，光收集能力依然只是所有單個望遠鏡的總和；但在精巧的設計下，望遠鏡陣列的分辨力卻是驚人的。

換句話說，光收集確實受到望遠鏡尺寸的限制。但是，如果我們使用長基線干涉測量技術（或者它的同類，甚長基線干涉測量技術，VLBI），那么分辨率可以通過使用彼此間距很大的望遠鏡陣列大大提高。

事件視界望遠鏡是一個由15-20個望遠鏡組成的網絡，這些望遠鏡分布在地球上許多不同的大陸上，從南極洲到歐洲、南美洲、非洲、北美洲、大洋洲，以及太平洋上的一些島嶼。總而言之，陣列中距離最遠的望遠鏡相距12000公里。這轉化為分辨率就是15微角秒（μas），如果一只蒼蠅位于400000公里之外的月球上，那么它看起來就是這么小。

○ 散布在全球的一系列望遠鏡組成了事件視界望遠鏡，可以提高成像能力。從2011到2017年的數據應該能夠讓我們現在構建出人馬座A*的圖像，或許還有M87中心的黑洞的圖像。| 圖片來源：APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT/JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO/C. MALIN

當然，月球上可能沒有蒼蠅，但是宇宙中確實存在角距大小超過15μas的黑洞。事實上，有兩個這樣的黑洞：銀河系中心的人馬座A*和M87星系中心的黑洞。M87中心的黑洞位于5000萬到6000萬光年之外，但它的質量約66億個太陽質量，比我們銀河系中心的巨型黑洞大1000多倍。

○ 這是從地球上看到的第二大的黑洞——位于M87星系中心的黑洞的三張圖像。盡管它的質量有66億個太陽質量，卻比人馬座A*的距離還要遠2000多倍。它或許可以被EHT探測到，或許不能，但如果宇宙是善良的，我們終究會得到一個圖像。| 圖片來源：TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE

事件視界望遠鏡的工作原理是，利用大量的射電望遠鏡同時觀測這些黑洞，這使我們能夠重建一個超高分辨率的圖像，無論觀測的是什么物體，只要收集到足夠的光來觀測它。以前，許多天文臺已經證實了這個概念，例如大型雙筒望遠鏡（Large Binocular Telescope），它成功地拍攝到了木星的衛星——木衛一（Io）上火山爆發的圖像。

因此，讓事件視界望遠鏡工作的關鍵是，確保我們收集到足夠的光線來觀察黑洞事件視界投射出的陰影，同時成功地對來自黑洞周圍和后面的光進行成像。黑洞會加速物質，帶電粒子的加速不僅會產生磁場，如果帶電粒子在磁場的存在下加速，還會產生輻射。

最安全的選擇是查看頻譜的射電部分，也就是能量最低的部分。所有加速物質的黑洞都應該會發射射電波，我們從銀河系中心和M87星系的中心都看到過它們。區別在于，在新的、高分辨率望遠鏡下，我們應該能夠發現事件視界本身所在處的“空白”。

能夠構造這些圖像的技術革命來自于ALMA：阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。66臺射電望遠鏡組成一個難以置信的網絡，所有的射電望遠鏡本身都是巨大的，通過測量這種長波段的光（無線電波）來揭示前所未有的天文細節。

○ 阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）與它頭頂的麥哲倫星云。作為ALMA的一部分，大量彼此靠近的望遠鏡有助于創建一些區域的許多最詳細的圖像，而少量較遠的望遠鏡有助于在最明亮的位置磨合細節。| 圖片來源：ESO/C. MALIN

阿塔卡馬已經向我們展示了新形成的恒星周圍的塵埃盤的圖像，以及在內部形成的嬰兒行星（圓盤上環狀的空隙）的證據。ALMA能以一種甚至比哈勃望遠鏡更高級的方式拍攝超遙遠的星系，并且已經發現了分子氣體特征和內部旋轉。

但ALMA最大的科學貢獻也許將是，從圍繞這些超大質量黑洞的光中收集到的所有信息。足夠快地寫下足夠多的（正確類別的）數據，然后用足夠強的計算能力把它們結合起來并進行分析，直到現在，這才第一次成為可能。

○ 到2018年初為止，可以成功地適用于視界望遠鏡的數據的兩種模型。兩種模型都顯示出一個偏離中心的、不對稱的視界，相比于史瓦西半徑是擴大了的，這與愛因斯坦廣義相對論的預測一致。完整的圖像還沒有向公眾公布。| 圖片來源：R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1

那么，到2019年，當（來自觀察這些黑洞的所有不同的天文臺的）所有27拍字節（PB，相當于10^15B）的數據匯集在一起，得到全面分析后，將會帶來什么呢？事件視界會像廣義相對論預言的那樣出現嗎？有一些不可思議的事情需要測試：

• 黑洞的大小是否與廣義相對論預測的一樣；

• 事件視界是圓的（如預測的那樣），還是扁的或延長的；

• 射電輻射是否延伸比我們想象的要遠；

• 或者，是否會出現與預期行為偏差的事情。

○ 使用黑洞吸積盤的磁流體動力學模型，以及由此產生的射電信號，基于廣義相對論所運行的五種不同的模擬。注意事件視界在所有預期結果中的明顯特征。| 圖片來源：GRMHD SIMULATIONS OF VISIBILITY AMPLITUDE VARIABILITY FOR EVENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A*, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV:1601.06799

盡管事件視界望遠鏡團隊已經探測到了銀河系中心的黑洞周圍的結構，我們仍然沒有直接的圖像。這需要理解我們的大氣以及其中發生的變化，結合數據，編寫新的算法來共同處理它們。這項工作正在進行中，但預期將在2019年上半年獲得第一批的圖像。我們中的一些人希望今年甚至去年就能得到圖像，但最重要的是科學家需要花時間和精力確保得到最正確的結果。

當最終獲得這些圖像時，人們將不再懷疑黑洞是否存在，以及它們是否具有愛因斯坦偉大的理論所預言的那些性質。

2019年，必將是事件視界的一年！

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來源：“原理”公眾號

編輯?∑ Gemini

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總結

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