4月10日，全世界似乎都在為一件事情而瘋狂，在六個(gè)地方同時(shí)舉行的全球發(fā)布會(huì)上，事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)向地球人公布了第一張黑洞事件視界的圖片，并在發(fā)言中稱(chēng)“我們已經(jīng)看到了我們認(rèn)為看不到的東西……你看到的是視界的證據(jù)?！?br>

 ▲ 上周的刷屏網(wǎng)紅，來(lái)自M87星系的黑洞（吸積盤(pán)）影像

這張高角度分辨率的圖片，描繪了位于M87星系中心的65億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，距離地球約5500萬(wàn)光年。

它揭示了理論中所預(yù)言的視界是存在的，并再一次證實(shí)了阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。M87在天空中的位置如下圖所示。

 ▲ 在中北緯地區(qū)觀察到的M87方位

通過(guò)安置在夏威夷、亞利桑那、西班牙、墨西哥、智利和南極洲等地區(qū)的八個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡所組成的網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家們創(chuàng)造了一個(gè)地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，叫做超長(zhǎng)基線干涉測(cè)量，簡(jiǎn)稱(chēng)VLBI，它的放大率是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的2000倍。而在每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡上都放置了原子鐘，保證它們可以在同一時(shí)間觀察同一對(duì)象。除了M87，被列為拍攝對(duì)象的還有人馬座A。

觀測(cè)所采用的射電波長(zhǎng)是1.3毫米，這是能夠穿過(guò)阻擋黑洞陰影的氣體的完美波長(zhǎng)。最后一共獲得了幾個(gè)PB的數(shù)據(jù)，匯總到了德國(guó)馬普射電天文學(xué)研究所和美國(guó)MIT海斯塔克天文臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一處理。

這當(dāng)中，為了等到南極開(kāi)春，好把南極望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)運(yùn)出來(lái)，還耽擱了好幾個(gè)月?？芍^費(fèi)盡周折，但，一切都值得，因?yàn)檫@是黑洞，可能是宇宙中為數(shù)不多的人類(lèi)迄今仍想盡方法要得知其真面目的事物之一了。

可能大多數(shù)人都和我一樣，想到“黑洞是什么樣子的”，腦子里就會(huì)浮現(xiàn)諾蘭電影《星際穿越》中的那個(gè)在物理學(xué)家基普·索恩指導(dǎo)下、由倫敦的視效公司Double Negative所制作的Gargantua黑洞，它被打出了“史上最精確的黑洞圖片”這樣的宣傳語(yǔ)，甚至成了這部科幻大片的噱頭之一。

據(jù)稱(chēng)，為了做出影片中需要的這個(gè)黑洞，索恩給了視效團(tuán)隊(duì)一份長(zhǎng)長(zhǎng)的寫(xiě)滿(mǎn)了公式的備忘錄，讓他們用這個(gè)寫(xiě)了一個(gè)新的渲染器，為了確保方法有效，還先拿蟲(chóng)洞練了練手。最后，30個(gè)人、數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)一年的工作成果，得到了那張著名的黑洞“照片”。

 ▲ 在渲染器中運(yùn)行不同效果

建立這個(gè)模型的關(guān)鍵在于對(duì)吸積盤(pán)的理解，吸積盤(pán)是一團(tuán)凝聚在一起的物質(zhì)，它圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，因此，盡管我們從小就被告知“因?yàn)楹诙次账泄饩€，所以它不可見(jiàn)”，卻仍有辦法通過(guò)描述它周?chē)且粓F(tuán)還沒(méi)被吸進(jìn)去的物質(zhì)，來(lái)勾勒它的輪廓。

工作室創(chuàng)建了一個(gè)多色的平面圓環(huán)代表吸積盤(pán)，事實(shí)證明，它不僅漂亮，而且有用。

 ▲ 吸積盤(pán)被模型化為一個(gè)色彩絢麗的平面圓環(huán)

作為拿過(guò)奧斯卡最佳特效的工作室，Double Negative的了不起之處在于他們嚴(yán)格而巧妙地對(duì)模型做演示，最終產(chǎn)生了一個(gè)讓索恩也贊嘆的效果，黑洞外圍扭曲的時(shí)空同樣使得吸積盤(pán)也發(fā)生彎曲，于是產(chǎn)生了一個(gè)奇特非凡的光暈。這個(gè)發(fā)現(xiàn)后來(lái)被索恩也用到了自己的論文中，

 ▲ 索恩及其同事一篇談CG技術(shù)的論文中的黑洞，根據(jù)Double Negative的演示結(jié)果生成

細(xì)心的你應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了，索恩論文中所用到的CG圖，和電影中的那張圖之間的最大不同——左右兩邊的亮度不一樣。這也是索恩數(shù)次怨念，甚至在他的《星際穿越中的科學(xué)》一書(shū)中提到的一個(gè)遺憾，諾蘭不想增加觀眾們理解起來(lái)的難度，所以就沒(méi)有采用那個(gè)不對(duì)稱(chēng)的真實(shí)描述，而用了下面這個(gè)物理上有問(wèn)題的樣子，美則美矣。

 ▲《星際穿越》中的Gargantua黑洞最終采用的形象

對(duì)《星際穿越》中黑洞形象提出批評(píng)的人士當(dāng)中，來(lái)自巴黎天文臺(tái)的Jean-PierreLuminet是最為重要的一位，這本出過(guò)法語(yǔ)版暢銷(xiāo)書(shū)Les trous noirs（黑洞的意思）的科學(xué)家，寫(xiě)了一篇15頁(yè)的關(guān)于電影科學(xué)的論文，嚴(yán)正討論了這個(gè)問(wèn)題，“這種強(qiáng)烈的不對(duì)稱(chēng)的視光度，是一個(gè)黑洞的主要特征，黑洞是唯一的天體對(duì)象，能夠給其吸積盤(pán)內(nèi)部區(qū)域一個(gè)接近光速的旋轉(zhuǎn)速度，這會(huì)誘發(fā)一個(gè)非常強(qiáng)的多普勒效應(yīng)?！?/p>

▲ Luminet的Les trous noirs有好幾個(gè)版本，這是其中的兩個(gè)

Luminet對(duì)這一點(diǎn)如此不滿(mǎn)，端的是有來(lái)由。事實(shí)上，早在1979年，擁有數(shù)學(xué)背景的他，就做出了真正稱(chēng)得上最為精確的黑洞模擬圖，還是在一臺(tái)IBM7040打孔機(jī)的幫助下完成的——什么概念？就是它產(chǎn)于上個(gè)世紀(jì)60年代，計(jì)算能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上你的家用計(jì)算器。

利用打孔計(jì)算機(jī)返回的數(shù)據(jù)，他煞費(fèi)苦心地用鋼筆和墨水在負(fù)片紙上進(jìn)行手工繪制，就像一個(gè)人形打印機(jī)那樣，做出了下面這張珍貴的科學(xué)圖像。

它向我們展示了落入黑洞的那個(gè)扁平物質(zhì)盤(pán)可能是什么樣子。后來(lái)在發(fā)表于arXiv的一篇論文中，他解釋道：“實(shí)際上，引力場(chǎng)使黑洞附近的光線彎曲得如此厲害，以至于盤(pán)的后部‘顯露’出來(lái)……光線的彎曲也產(chǎn)生了一個(gè)次級(jí)圖像，讓我們可以從觀察者那里看到吸積盤(pán)的另一邊，也就是黑洞的另一邊?！?/p>

 ▲ 1979年，Luminet結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)做出這張人工“打印”黑洞

Luminet的圖像描繪了《星際穿越》中未曾表現(xiàn)的另外兩個(gè)重要現(xiàn)象：一個(gè)是離黑洞邊緣近的地方，能量和光更強(qiáng)，而遠(yuǎn)離黑洞的地方，能量和光更弱；另一個(gè)是由吸積盤(pán)旋轉(zhuǎn)引起的多普勒效應(yīng)和愛(ài)因斯坦效應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)向的不同，吸積盤(pán)的旋轉(zhuǎn)會(huì)使一側(cè)的光看起來(lái)更亮。在上圖中，吸積盤(pán)是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，所以它的光線從左邊接近觀察者，然后從右邊撤退，這使得左邊看起來(lái)更亮。

EHT昨天發(fā)布的照片，則是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)軸和觀察方向有一個(gè)17度的夾角，所以我們會(huì)看到圖片中吸積盤(pán)的下部發(fā)亮。

 ▲ Luminet的著作英文版封面

后來(lái)，計(jì)算機(jī)的能力不斷加強(qiáng)，軟件也不斷改進(jìn)，Jean-Pierre Luminet得以做出更加豐富感人的黑洞形象，他和同事Jean-Alain Marck做過(guò)一個(gè)圖片集，從不同角度展示非旋轉(zhuǎn)黑洞及其吸積盤(pán)（中間那一排，我覺(jué)得和M87挺像的）。1991年，兩人還在法國(guó)拍攝的一個(gè)科學(xué)紀(jì)錄片中為觀眾做了一個(gè)包含多普勒扭曲和不對(duì)稱(chēng)的黑洞。

 ▲ 不同角度看到的黑洞吸積盤(pán)

▲1991年法國(guó)科學(xué)紀(jì)錄片中的黑洞

不過(guò)Luminet本人在2002年就放棄了對(duì)黑洞成像的研究，因?yàn)樗庾R(shí)到事件視界望遠(yuǎn)鏡之類(lèi)觀察手段的出現(xiàn)，將會(huì)對(duì)黑洞可視化產(chǎn)生更現(xiàn)實(shí)的影響。

在EHC公布圖像之前，Science雜志采訪了這位先驅(qū)，問(wèn)他對(duì)于這次國(guó)際合作有可能帶來(lái)的黑洞照片有何想法，Luminet非常有預(yù)見(jiàn)性地指出，在人馬座A和M87之間，他看好M87能帶來(lái)更清晰的影像，這是基于對(duì)吸積盤(pán)的判斷。