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事件视界望远镜与超大质量黑洞
摘要：事件视界望远镜(EventHorizonTelescope,EHT)是由分布在美国、墨西哥、智利、法国和南极等地的8个大型射电望远镜及阵列组成的观测网络，这是一个口径像地球一样大的望远镜。200多名全球各地的天文工作者参加了这个项目。
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2019年4月10日，由全球13个合作机构合作建设的事件视界望远镜宣布：经过数十年的探索与积累，天文学家终于成功地获得了黑)同的首个直接视觉证据。首次向人类展示自己阴影的黑洞位于室艾座超巨椭圆星系M87中业。距地球大约5500万光年这张照片的最重大意义是。它验证了广义相对论对强引力场也是适用的。这是继2015年9月人类首次观测到引力)皮信号后，广义相对论的又一次重大胜利。
事件视界望远镜(EventHorizonTelescope,EHT)是由分布在美国、墨西哥、智利、法国和南极等地的8个大型射电望远镜及阵列组成的观测网络，这是一个口径像地球一样大的望远镜。200多名全球各地的天文工作者参加了这个项目。望远镜阵列收集了千万亿字节级别的数据，经由超级计算机进行了约两年时间的处理和分析，用“算法”作为冲洗照片的手法，得到了我们所见到的这张照片。天文学家和物理学家期待着更多的射电望远镜加入到这个项目中来，灵敏度和数据质量都将极大提升，有望看清黑洞视界更多的细节。
一、事件视界
事件似乎是一个日常用语，但在广义相对论中，它是一个专用名词。用惠勒(J.A.Wheeler)的话来说，事件是几何动力学中的一个时空点，它与坐标表示无关。视界只是一个专用的科学术语。在英语中，视界与地平线是同一个词。仰望星空，我们会发现星转斗移,恒星既会从地平线上升起，也会落到地平线的下面。恒星落到地平线下面仍然存在，并不会由此消失。坍缩的恒星变成黑洞之后，它仍然存在，尽管我们无法看到施瓦西半径里的一切。为此，美国物理学家林德勒(W.Rindler)将施瓦西半径处叫作视界。
不过，地球的视界(地平线)是相对的，它是一个以观测者为中心的圆，并随着观测者运动。黑洞的视界是绝对的。它是时空的一条分界线，与观测者无关。视界将所有的事件分成两类。在视界外面，两个事件可以通过光信号联系；在视界里面，光线并不能自由地从一个事件传播到另一个，而是都朝着中心会聚。这有点像天文学家纳里卡(J。Narlika)讲的故事，在印度有间20平方米的牢房，被称作“加尔各答黑洞”，在1757年关进了46名犯人，对于这些犯人，牢房就是他们的视界。这正如洞穴里的鱼，洞穴的四壁就是它的视界。
设想宇航员甲在一个安全距离绕黑洞环行。与此同时，宇航员乙正落向黑洞的视界，他用一支能发岀蓝光的手电筒向外发射信号。当他下落时,宇航员甲发现光的频率越来越低，也越来越弱，光的频率由蓝光变成红光，接着越过红外波段而到微波，最终到低频率的无线电波。宇航员甲发现乙的动作，变得越来越迟缓，几乎静止了。宇航员甲永远无法看到乙穿过视界；对甲而言，宇航员乙需要无限长的时间才能抵达视界。但在宇航员乙自身的参考系中，他正好穿过了视界，没有感到任何异样。那么甲、乙两人，谁是正确的呢？宇航员乙究竟是到达还是没有到达视界处呢？物理是一门观测和实验的科学，所以我们应该相信宇航员甲的观测结果，尽管这个结果表面上与宇航员乙对事件的描述不同，但是有着自身的有效性。这是因为他们两人处在不同的参考系的缘故。这也就是爱因斯坦将他的几何动力学称为“相对”论的理由。在不同参考系中的表观结果，可以通过广义坐标变换相联系。用几何语言来说。就是"广义相对论满足微分同胚不变性”
二、继往开来
自1915年11月25日爱因斯坦公布了他的广义相对论以来。物理学家和天文学家普遍都在怀疑黑洞存在。爱因斯坦本人是强烈反对存在黑洞这样一类客体的，理由非常简单，黑洞破坏了他心中的和谐。1915年12月，施瓦西(K。Schwarzschild)在广义相对论场方程发布后仅仅一个月，就得到了一个精确解。这是一个既不坍缩、也不爆炸，也不脉动的静态恒星的外部解。1923年，伯克霍夫(G.Birkhoff)证明了一条重要的定理：施瓦西几何描述了任何球状恒星的外部，包括了坍缩的、膨胀的和脉动的恒星。大质量的恒星在它的核燃料耗尽时，不可避免地要发生坍缩，所有的理论物理学家都挡不住一个结论：坍缩将产生黑洞。
1939年，奥本海默(J.R.Oppenheimer)认识到，对于大质量恒星来说，向外的辐射、激波和密度分布，都是不重要的细节，恒星将收缩到无限大的密度和零体积。但是，这个结论是不会令爱因斯坦那些反对黑洞的人满意的。在1958年6月的一次学术会议上，惠勒认为奥本海默的坍缩观点一定是荒谬的。显然，1950年代的惠勒是爱因斯坦的忠实追随者。1963年12月，在另一次学术会议上，惠勒热情洋溢地讲述了奥本海默1939年的计算，从批评者变成了狂热的支持者。转变的原因来自计算机模拟证明：坍缩必然会产生无限大的密度。
余下的问题是，恒星坍缩生成的物体该叫什么？苏联物理学家曾称它为冻星，西方学者称它为坍缩星。两个名字都不令人满意，“冻结”只不过是对视界的一种光学错觉，“坍缩”使人集中到奇点的本质。1967年，惠勒终于公布了他起的新名字，黑洞。除了法国学者以外，东西方的物理学家和天文学家在几个月内普遍采纳了这个专门术语。
大约在1964年以后，美国的惠勒、苏联的泽尔多维奇(Y。B。Zel'dovich)和英国的夏默(D。Sciama)各自率领一批年轻物理学家，对黑洞进行了理论研究，其中包括以后的诺贝尔奖得主索恩(KipS。Thorne)0他们利用广义相对论进行了一次又一次的计算，发现黑洞会自转、会脉动，黑洞储藏能量，也释放能量，而且没有毛发。黑洞只有4类：(1)球对称、电中性的静态黑洞；(2)球对称、带电的静态黑洞；(3)旋转而电中性的克尔黑洞；(4)旋转而带电的黑洞。最符合实际的黑洞应该是由克尔解给予描述的黑洞。旋转黑洞周围的时空被拖动的情况，以及环状奇点的性质，是由新西兰数学家克尔(R。P。Kerr)在1963年发现的。天文学家要寻找的黑洞就是克尔黑洞。
三、室女之心
室女座星系团离开我们有5000多万光年远，从地球上看，它覆盖的天空约是100多个满月面积。室女座星系团中央区被一个巨大的椭圆星系M87(Messier87)统治着。M87具有一些令人感兴趣的特征。它是一个强射电源，并且具有一个明亮的核。更令人感兴趣的是，还存在着一股大且亮的“喷流”。1977年，两组天文学家完成了对M87的一系列详细观测。
第一组仔细测量了星系各部分的亮度。为了解释所得的观测结果，他们得出，在这个星系的中心，存在一个强大的、致密的引力源，其质量大约是65亿太阳质量。这个强引力源使得恒星围绕着星系中心拥挤在一起。第二组集中研究了星系的分光观测。他们详尽地观测了M87各部分的谱线形状。当他们对星系中心附近的谱线分析时，发现不同寻常地宽，这意味着靠近星系核的恒星正在以极高速度运动着。为了试图解释他们的观测数据，第二组天文学家也得出星系中心必定有一个极大的、致密的引力源。所有运动缓慢的恒星，在很久以前就被这个致密源吞噬掉了。只有那些绕这个强引力源作高速运动的恒星才得以幸存。计算表明这个强引力源的质量大约是65亿太阳质量。这些结果表明在M87的核心有一个巨大的超重黑洞。
天文学家林登-贝尔（D。Lynden-Bell）提出了流体向黑洞下落的更完整的描述。流体在离心力作用下，围绕着黑洞螺旋式下落，在旋转中形成一个盘状物，就像围绕着土星的环。由于流体是被黑洞吸引过去的，所以这个盘状物被称作吸积盘。流体相互摩擦将吸积盘加热到很高的温度。由于引力能很大，远大于核能。所以摩擦使吸积盘比大多数星系还亮得多。克尔黑洞产生周围的空间旋涡，旋涡使吸积盘的内部保持在黑洞的赤道平面上。
为什么超重黑洞存在于M87的中心。可以作如下解释。当两颗恒星互相经过时，引力会使它们偏离原来的路径，往往是一颗偏向星系中心，另一颗偏离中心。积累的结果是，一些恒星被驱赶到星系中心。星系内的星际气体的摩擦效应也会使大量气体落入中心。这些恒星与气体最终坍缩形成一个超重黑洞，或者在中心附近形成若干个黑洞，经过碰撞和并合形成一个统治中心的超重黑洞。
四、身份证明
举头望明月，低头思故乡。不是月球十分明亮，而是离我们很近的缘故。黑洞离我们太远了，它们的信号太弱。直接观测黑洞需要极高分辨率的望远镜，如果是光学望远镜，则需要一块直径几公里的镜片，这远远超出了人类技术的极限。每个人身份证上的照片表征了自己的身份，那么我们能给黑洞照相吗？初看起来，我们不能为不发光的黑洞照相，就如在伸手不见五指的黑夜，你怎么能为友人照相一样。但是，你可以通过照明为友人照相，同样在适当的光照下也可以给黑洞照相！黑洞没有反射光线的事实表明。使光线偏转的是黑洞的引力场，从而使黑洞的影响范围不是限制在视界内，而是延伸到无穷远。黑洞周围的引力场会使靠近黑洞视界的物质发射岀大量的电磁辐射（光线），这些辐射有可能被望远镜捕获到，由此间接证明黑洞的存在。在黑洞视界附近，强引力将落向黑洞的物质（吸积流）压缩到非常小的体积内，从而它们的温度会达到数十亿度。所以，黑洞并不是最暗的，对它们的探测要比使黑体球成为高度反射的球容易得多。高温下落物质的辐射，使得黑洞周边的区域成为宇宙中耀眼的地方。
室女座椭圆星系M87的动力学中心被大量的气体和尘埃云包围着。从中心发出的可见光波段的光子，只有少得可怜的一部分到达地球，所以观测这个超重黑洞不能用光学望远镜，而要用射电望远镜。尽管这个黑洞很大，直径超过了太阳系，但它离地球实在太远，它在天空中占据的角径便极小。在天空中的张角只有35微角秒。这是一个极其微小的角径，相当于将一本袖珍字典放到月球上。然后从地球上观测这本字典的角径。或者将这本字典放到人造卫星上，然后从地球上查阅这本字典上字符的角径。要分辨出35微角秒的张角，我们需要比哈勃空间望远镜分辨率还要髙上3000倍的望远镜。由于黑洞位于M87中心，该处由气体和尘埃组成的稠密云团还会阻挡大部分的电磁波段。此外，作为一种灼热旋涡的吸积流本身对大部分波长的电磁辐射是不透明的。因此，只有1毫米左右波长范围内的辐射才能被地球上的观测者看到。
五、黑洞“剪影”
事件视界望远镜采用甚长基线干涉测量(Very Long BaselineInterferometry,VLBI)技术，达到了观测遥远的室女座椭圆星系M87中心黑洞的分辨率要求。EHT的这次观测是由全球范围内8台射电望远镜组成的，每台望远镜都设在高海拔的地方，包括夏威夷和墨西哥的火山、美国亚利桑那州山脉、西班牙内华达山脉、智利阿塔卡玛沙漠和南极。高海拔选址是为了使地球大气对信号的吸收能降到尽量低。于是，EHT事实上是一台虚拟的、地球尺寸的望远镜。望远镜的分辨率是由观测波长与望远镜口径的比值决定的，EHT的有效分辨率达到20微角秒。
8台射电望远镜必须保持同步记录下的海量数据，需要进行复杂的后期处理和分析,才能获取最终的黑洞图像。以2017年4月的观测为例，每台的数据速率达到了32GB/秒，8个台在5天观测期间共记录了35OOTB的海量数据。喷流喷流C3超重黑洞的吸积盘和喷流形成的示意图盘的内表面发射的7射线光子产生真空中的正负电子对，通过级联过程电子对增多，并将喷流加速到接近光速。
凭借EHT的分辨率，在1.3毫米波段，获得了一个环状结构和位于中间的黑洞阴影。令人兴奋的是，EHT观测到的图像特征与广义相对论的预言完全一致，这是爱因斯坦的广义相对论的又一次胜利。
随着更多台射电望远镜加入EHT,其中包括格陵兰望远镜、基特峰望远镜，EHT的灵敏度将进一步提高，将会得到更加清晰的黑洞“剪影”。目前EHT的科学家已在尝试开展0.8毫米的观测，那么分辨率将比现在提高1.6倍。黑洞周围的恒星、中子星以及其他天体的轨道运动，可以为广义相对论提供进一步的证据。
谁是英雄广义相对论是纯科学研究成功的范例。相对论革命在很大程度上塑造了20世纪，它影响了哲学、艺术、文化的各个领域。广义相对论将20世纪塑造成了一个象征着科学的时代，极大地推动了相关的技术革命,至今还影响着我们的生活。EHT项目是为好奇心所驱动，而不讲究实际应用。纯科学希望能满足理解宇宙、理解人类在宇宙中的位置等这些基本的人类追求。
在奥本海默等人认真考虑黑洞的压力下，爱因斯坦和爱丁顿(A.S.Eddington)等相对论权威公开表示了反对意见。1939年，爱因斯坦发表了用广义相对论计算的一篇文章，作为一个范例，他解释了为什么黑洞不能存在。他的计算表明，在球面上运动的粒子越靠近球心，受到吸引力越强，为了避免被引力吸进去,一定会运动得越快。爱因斯坦的计算表明，当球面的半径小于施瓦西半径的1.5倍时，为了避免被吸进去，粒子必须比光跑得还快。现实世界不可能超过光速，所以爱因斯坦下结论说：“至于施瓦西奇点不存在于物被吸收物质理实体中，这个考察的基本结果说得很清楚了。”事实上，爱因斯坦的计算是正确的，但他的解释却错了。恒星需要内部的压力来平衡引力，而不是靠粒子的离心力去平衡。当引力超越于天体内部的其他力量，引力必定使天体发生灾难性的坍缩，从而形成黑洞。
1964年秋天，彭罗斯(R.Penrose)证明了一则数学定理，黑洞一定含有奇点。这则奇点定理的普适性令人惊讶。它不仅适用于具有理想化特性的坍缩恒星，而且还适用于一切可以想象的坍缩天体。毫无疑问，这条定理适用于现实宇宙中存在的坍缩天体。彭罗斯的证明对拓扑学依赖很强，定理只告诉我们，在黑洞内的某处，时空达到了终点。但是，彭罗斯的研究方法,在广义相对论研究中引发了革命。同时，也使人们相信,克尔黑洞是一类真实存在的天体。
今天EHT终于拍摄到了第一张黑洞的“剪影”，这是爱因斯坦的广义相对论的又一次胜利。说英雄，谁是英雄？广大引力学家和天文学家才是真正的英雄，没有他们，我们仍在为黑洞中的奇点而烦恼；包括16名中国科学家在内的全球200多位科研人员是这次测量的功臣。黑洞的研究史是集体力量所创造的，所有的历史都是人民大众所创造的，不是吗？
李新洲,奚萍.超重黑洞和事件视界望远镜[J].科学,2019,71(4):10-14.
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2020-03-24
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