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黑洞，正如電影《星際穿越》中所描述的那樣，在一個(gè)非常特定旋轉(zhuǎn)黑洞的類(lèi)別中相當(dāng)精確地展示了一個(gè)事件視界。圖片版權(quán)：Interstellar / R. Hurt / Caltech

黑洞是宇宙中最令人難以置信的天體之一。在如此微小的體積中，有如此之多的物質(zhì)聚集在一起，以至于單個(gè)物質(zhì)粒子不能像常態(tài)一樣保持它們的狀態(tài)，而是坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)。圍繞著這個(gè)奇點(diǎn)的是一個(gè)被稱為事件視界的球形區(qū)域，即使它以宇宙的最高速度移動(dòng)——光速也是無(wú)法逃脫。雖然我們知道形成黑洞的三種不同的方式，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種黑洞的證據(jù)，但從來(lái)沒(méi)有直接“看到”過(guò)黑洞。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些，但從未見(jiàn)過(guò)黑洞視界，甚至沒(méi)有證實(shí)確實(shí)有黑洞。今年這一切將會(huì)改變，因?yàn)榈谝粋€(gè)結(jié)果將會(huì)被揭示，回答了天體物理學(xué)中最長(zhǎng)久的問(wèn)題之一。

計(jì)劃中的無(wú)線電天線的位置是事件視界望遠(yuǎn)鏡陣列的一部分。圖片版權(quán)：Event Horizon Telescope / University of Arizona

黑洞的概念并不是什么新鮮事物，正如科學(xué)家們幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)所研究的那樣，當(dāng)把更多的質(zhì)量聚集到一個(gè)給定的體積內(nèi)時(shí)，就必須以更快的速度從它所產(chǎn)生的引力中逃離出來(lái)。因?yàn)橛幸粋€(gè)最大的速度（即速度是有上限的——光速），任何信號(hào)都能以光速傳播——超過(guò)這個(gè)點(diǎn)，從這個(gè)區(qū)域內(nèi)的任何東西都被困住了。內(nèi)部的物質(zhì)會(huì)試圖對(duì)抗引力坍縮，但它試圖發(fā)射的任何力攜帶的粒子都會(huì)向中心奇點(diǎn)彎曲；向外推是不可能的。因此，奇點(diǎn)是不可避免的，被事件視界包圍著。是否有任何東西落入事件視界也被困？從事件視界內(nèi)，所有路徑都指向中心奇異點(diǎn)。

活躍黑洞的例子，一個(gè)吸積物并且在兩個(gè)射流中加速的一部分，可能在很多方面描述了我們星系中心的黑洞。圖片版權(quán)：Mark A. Garlick

實(shí)際上，我們知道有三種機(jī)制來(lái)創(chuàng)造真正的天體物理黑洞：

1、超大質(zhì)量恒星演化成超新星爆炸時(shí)中心核可能坍塌將超新星前星的大部分轉(zhuǎn)化為黑洞

2、當(dāng)兩顆中子星合并時(shí)，如果合并后的質(zhì)量大于2.5~2.75太陽(yáng)質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生黑洞

3、如果一顆大質(zhì)量恒星或氣體團(tuán)能夠直接坍塌，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)黑洞，其中100％的初始質(zhì)量會(huì)進(jìn)入最后的黑洞

插圖一是個(gè)簡(jiǎn)單的黑色圓圈，一個(gè)事件視界可能是什么樣的。圖片版權(quán)：Victor de Schwanberg

隨著時(shí)間的推移，黑洞可以繼續(xù)吞噬物質(zhì)，同時(shí)在質(zhì)量和體積上都有所增長(zhǎng)。如果黑洞的質(zhì)量加倍，它的半徑也會(huì)增加倍。如果增加10倍，半徑也會(huì)增加10倍。這意味著隨著的黑洞增長(zhǎng)，它的視界會(huì)變得越來(lái)越大。由于沒(méi)有任何事物可以逃脫，事件視界在空間上應(yīng)該是一個(gè)黑色的“洞”，阻擋了它后面的所有物體的光線，并且由于廣義相對(duì)論效應(yīng)，引力彎曲使得更加復(fù)雜。預(yù)計(jì)事件視界將會(huì)出現(xiàn)，其規(guī)模將達(dá)到預(yù)測(cè)的250%。

黑洞不僅僅是一個(gè)疊加在孤立背景上的質(zhì)量，而且還會(huì)表現(xiàn)出由于引力透鏡引起的背景光的拉伸，放大和扭曲的引力效應(yīng)。圖片版權(quán)：Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universitt Hildesheim; Axel Mellinger (background)

考慮到所有這些因素，我們可以看到所有已知的黑洞，包括它們的質(zhì)量以及離地球的距離，并計(jì)算出誰(shuí)是最大的黑洞。人馬座A *銀河系中心的黑洞，它只有27000光年遠(yuǎn)，但仍能達(dá)到驚人的大質(zhì)量，是太陽(yáng)的4百萬(wàn)倍。有趣的#二號(hào)黑洞是M87的中心黑洞：室女座星系團(tuán)中最大的星系。盡管它的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)60億倍，但距離地球有五千萬(wàn)至六千萬(wàn)光年。如果你想看到一個(gè)事件視界，那么我們自己銀河中心就是最佳的觀測(cè)點(diǎn)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡的模擬顯示了黑洞事件視界的一些可能的輪廓信號(hào)。圖片版權(quán)：High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enabled by Beamformed ALMA, V. Fish et al., arXiv:1309.3519

如果有一個(gè)像地球一樣大小的望遠(yuǎn)鏡，而且與黑洞之間沒(méi)有任何東西阻擋，那么就可以看到它。有些波長(zhǎng)對(duì)于介入的銀河物質(zhì)是相對(duì)透明的，所以如果看看無(wú)線電波這樣的長(zhǎng)波長(zhǎng)光線，可能會(huì)看到事件視界本身。現(xiàn)在沒(méi)有一個(gè)與地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡，但是我們?cè)谌蚨加幸幌盗械纳潆娡h(yuǎn)鏡，還有把這些數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生一幅圖像的技術(shù)?！笆录暯纭蓖h(yuǎn)鏡將我們目前最好的技術(shù)結(jié)合在一起，并使得能夠看到第一個(gè)黑洞。

不同望遠(yuǎn)鏡的視圖，有助于“事件視界”望遠(yuǎn)鏡有地球半球的成像能力。數(shù)據(jù)是在4月份收集的，應(yīng)該能夠在未來(lái)一年內(nèi)檢測(cè)（或不檢測(cè)）射手座A *周?chē)氖录暯?。圖片版權(quán)：APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

而不是一個(gè)單一的望遠(yuǎn)鏡，15到20個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡排列在全球，同時(shí)觀察同一個(gè)目標(biāo)。距離最遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡在12000公里以上，可以分辨15微秒（μas）的物體：月球上的飛行物的大小。鑒于射手座A *的質(zhì)量和距離，預(yù)計(jì)會(huì)是兩倍以上的：37μas。在無(wú)線電頻率上應(yīng)該看到大量的帶電粒子被黑洞加速，但在事件視界本身所在的位置應(yīng)該有一個(gè)“空白”。如果我們能夠正確地把這些數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，那么應(yīng)該能夠第一次構(gòu)建一個(gè)黑洞的圖像。

在廣義相對(duì)論中，有五種不同的模擬，使用黑洞吸積盤(pán)的磁流體動(dòng)力學(xué)模型，以及無(wú)線電信號(hào)的結(jié)果。注意所有預(yù)期結(jié)果中事件視界的清晰特征。圖片版權(quán)：GRMHD simulations of visibility amplitude variability for Event Horizon Telescope images of Sgr A*, L. Medeiros et al., arXiv:1601.06799

由事件視界望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡在去年同時(shí)拍攝了第一次觀察人馬座A *的照片。數(shù)據(jù)已經(jīng)被整合到一起，目前正在準(zhǔn)備和分析。如果一切都按照設(shè)計(jì)來(lái)運(yùn)作，將在2018年擁有第一張圖片。它會(huì)像廣義相對(duì)論預(yù)言的那樣出現(xiàn)嗎？有一些不可思議的事情要測(cè)試：

1、無(wú)論黑洞的大小是否與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的一樣、

2、事件視界是否為圓形(如預(yù)測(cè)的)或扁平化或延長(zhǎng)，

3、無(wú)線電發(fā)射是否延伸得比我們想象的還要遠(yuǎn)、

4、是否與預(yù)期行為有任何其他偏差。

吸積盤(pán)的朝向（左兩個(gè)面）或邊緣（右兩個(gè)面）可以大大改變黑洞被我們看到的特征。圖片版權(quán)：'Toward the event horizon—the supermassive black hole in the Galactic Center', Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

無(wú)論我們做了什么，都準(zhǔn)備通過(guò)構(gòu)建第一個(gè)黑洞圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)難以置信的突破。不再需要依靠模擬或藝術(shù)家的概念圖；我們將有第一個(gè)實(shí)際的，基于數(shù)據(jù)的圖片來(lái)處理。如果成功的話，它為更長(zhǎng)時(shí)間的基線研究鋪平了道路。有太空射電望遠(yuǎn)鏡陣列，可以把范圍從一個(gè)單一的黑洞擴(kuò)大到數(shù)百個(gè)。

如果2016年是引力波年，2017年是中子星合并年，那么2018年將成為事件視界發(fā)生年。對(duì)于任何天體物理學(xué)，黑洞和廣義相對(duì)論的愛(ài)好者，都生活在黃金時(shí)代。曾經(jīng)被認(rèn)為“不可測(cè)試”的東西突然變成了現(xiàn)實(shí)。

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