科學前沿觀天下 篤學明理洞寰宇
“黑洞”這個詞語歷來被人們所熟知，然而人們對於黑洞形態的瞭解卻始終蒙著一層神祕面紗。近日，隨著黑洞事件視界(天文學中黑洞的邊界，在此邊界以內光無法逃逸)中第一張代表黑洞直接形象的圖片問世，這層神祕面紗才開始逐漸變得清晰。
圖片中的主角，就是來自巨大橢圓狀星系M87的超大質量黑洞，它位於星系中心，距離我們5500萬光年，體積大約是太陽的680萬倍，質量約為太陽的65億倍！ 該圖片源於事件地平線望遠鏡（Event Horizon Telescope EHT）的首次觀測結果。EHT之所以能夠完成這項偉大壯舉，是因為它是由全球的射電望遠鏡組合而成的一個巨大“望遠鏡”，代表著國際天文學領域“全球合作”戰略的成果。
令人不可思議的是，黑洞的形態基本符合天文界與物理界在50年前的預測，正如德國歌德大學的天體物理學家盧西亞諾·雷佐拉所說：“理論與觀察的對峙對理論科學家來說總是一個充滿戲劇性的時刻，然而當觀察結果與我們的預測相符時，這是一種解脫和自豪感！”
黑洞的形態看起來有點像橙色的咖啡漬，中間的是黑洞的影子。因為黑洞巨大的吸引力不允許任何可用於探測的輻射逃逸，所以我們實際上無法看到黑洞本身，這也是為什麼它看起來就像是一個不透明的空間的原因。圍繞著黑洞周圍的是吸積盤，由於超大質量黑洞M87是非常活躍的，這也就意味著它被一個巨大的吸積盤所包圍。吸積盤的溫度極高，並且會發出大量的輻射。因為吸積盤是旋轉的，在面向它移動方向的一側看起來更亮，在背離它移動方向的另一側看起來則很暗，這種效應也是由愛因斯坦相對論所預測的結果。
由於該圖像的分辨率不足以測量其旋轉速度，但是已經觀察了黑洞影像四天的EHT團隊已經可以判斷出它正在沿順時針方向旋轉。“一旦確定我們已經對陰影進行了成像，我們就可以將我們的觀察結果與計算機模擬結果進行比較，進行模擬的模型包括翹曲空間、過熱物質和強磁場等物理特性。令人驚訝的是，所觀察到圖像的許多特徵都符合我們的理論預測。這使我們對黑洞的理解更加充滿信心，其中包括我們對黑洞質量的估計”東亞天文臺的Paul T.P. Ho這樣表示。
科學家們表示，未來通過對數據的深層次分析還可以揭示更多細節，例如黑洞圖像與廣義相對論的預測有多接近。它甚至還可以幫助天體物理學家找出產生巨大噴流的作用機制。
但由於圖像不是非常清晰，因此存在一些我們可能無法分析的結論。例如一種被稱為“幀拖動”的相對論效應，即當黑洞旋轉時，由於其自身巨大的吸引力，它會隨著時間的推移而產生時空拖拽效應。加州理工學院的理論天體物理學家Philip Hopkins認為：“在很長一段時間內，它被理解為廣義相對論的影響，但如果你真的接近黑洞的事件視界，它只會變得非常大。如果我們可以測量它，不僅是對相對論的測試，它還會反映出非常關鍵的信息：如果黑洞在旋轉，那就告訴你它有多大的角動量，甚至會告訴你它在一開始必須吞下的所有東西！”
正如霍普金斯所說：“從某些方面來講，最令人印象深刻的是在探索過程中獲得的技術成就，而不僅僅是你從中學到了什麼。因此，能夠以這種分辨率在天體物理上成像任何東西都是令人興奮的事情。”
據悉，EHT項目目前正全力沖洗另一個位於銀河系中心的黑洞，它的真實面貌也應該很快就會公之於眾。無論如何，黑洞的神祕面紗將逐漸被揭開，變得愈加清晰。
作者/朱張航宇