望向银河中心黑洞：最大望远镜捕捉投射阴影黑洞中心银河

　　即使没有望远镜，我们也可以看到莫纳克亚火山的顶部。在十几千米之外，海拔比山顶低4000多米的地方，大片宽阔的雨林与太平洋的白色边缘相交接。在那里，人们正做着他们梦想能在夏威夷做的事情—在波涛中冲浪；躺在沙滩上，把自己的皮肤暴露在热带阳光之下。但是在他们上方的山顶上却没有植被，空气稀薄而冰冷。当太阳落在亚毫米波阵列天文台的碟形天线上时，科学家们的工作就要开始了。

　　Sheperd Doeleman正在校准一台电子天文望远镜，今年45岁的他是美国麻省理工学院的研究员，今晚的研究由他主管。如果一切正常，加利福尼亚州和亚利桑那州的其他望远镜会与其同步，这样他们就可以观察到正在黑洞边缘消失的物质。Doeleman和他的同行在陆地上使用了一种名为“甚长基线干涉测量”的技术，其作用是模拟另一种更大的仪器—事件视界望远镜(EHT)。基线越长，望远镜的分辨率就越高。在过去的几十年中，这些天文学家已经在世界各地的很多地方安装了精密而又昂贵的手工打造的仪器。每一次测量前，这些仪器都要经过重新校准。这项工作非常繁琐，但是要想看到他们想要观察的对象，没有什么其他办法可想。

　　在阵列望远镜控制室的窗户外面，补丁状的白雪点缀着山顶。前几天袭击此地的暴风雪曾经一路向西行进了4000千米，到达加利福尼亚州的观察站，让整个观测行动不得不推迟。然而，事情在今晚有了好转，天文学家开始准备工作。“我们已经能够记录点东西了，”Doeleman说，“这非常好。”

　　“马克5B正在记录。”Nickolas Pradel说。Pradel是一位来自台湾天文与天体物理学院的博士后研究员。马克5B记录器连接着隔壁的James Clerk Maxwell望远镜—今晚它那直径为15米的天线将发挥重要的作用。虽然“马克5C”是目前最新、扫描范围最大的记录器，并且已连接到亚毫米波阵列天文台，但并未参与今晚的行动。

　　黑洞会投射出一个阴影，而天文学家的目标就是捕捉到阴影的图像

　　Doeleman的身材修长，有着跑步者的身形。他大步跑出房间，然后冲下楼梯，跑进了安装着记录器的房间。几分钟后，大口喘着气的他又回到控制室，坐在自己的电脑前敲入了一串指令，嘟囔着一些我听不懂的高科技词汇。结果让人舒了一口气—记录器显示，它已经进入工作状态了。

　　3个阵列仅仅是一个开始。从2007年起，Doeleman和他的同事们就开始操作同样的射电望远镜网络。当他们把阵列指向银河系的中心，观察“视界规模结构”的时候，一个模糊未知的天体在显示器上出现了，它的大小与之前预计的人马座A*的尺寸相吻合—一个质量为太阳400万倍、位于银河系中心的黑洞。此后，在同事的鼓舞下，Doeleman认为，观测银河系中心更深的位置，深到足够让他们拍到一张人马座A*边缘的照片，并非像听起来那样不可能。每年探测器的越灵敏都在提高，数据存储和处理的成本也从未像今天这么便宜。如果能够把合适的望远镜放入他的系统里，那么拍到一张人马座A*的照片就会如Doeleman所说的，“完全可行。”

　　在未来几年里，Doeleman和他的合作伙伴们会将几十台全世界最先进的射电天文望远镜集合到一起，打造“人类历史上最大的望远镜”—虚拟碟形天线的尺寸与地球相仿，分辨率为哈勃望远镜的2000倍。不过今晚操作视界望远镜的天文学家们有只有一个小目标：收集尽可能多的人马座A*的光线并研究其极性，以了解黑洞的磁场。如果一切正常的话，天文学家最终可以通过全尺寸视界望远镜—其分辨率高到足以让人们看到4800千米以外一块石英表上的日期—看到一个天体的轮廓。至于它本身，那是无法看到的。

　　在爱因斯坦1915年发表了广义相对论后，物理学家们立即开始试图用他的方程式去解释宇宙的真实运行方式，德国天体物理学家Karl Schwarzschild就是其中之一。第一次世界大战时，在战壕里工作的他找到了一种方法来计算在一个理想正圆形天体周围的空间-时间曲率。他写信告诉爱因斯坦自己的算法。1916年1月，在柏林举行的一个研讨会上，爱因斯坦代他发表了这一算法。4个月之后，Schwarzschild在东部战线因病去世。

　　爱因斯坦被Schwarzschild的算法所深深吸引，但是他反对其中的一个猜想—一个密度足够大的恒星会因自己的引力塌陷而形成一个体积无限小、密度无限大的质点。爱因斯坦认为，Schwarzschild忽略了一些会阻碍这种内爆的因素。当时，很多杰出的科学家都赞同爱因斯坦的说法。黑洞，正如它的名字一样，违反了太多我们所认知的宇宙运行规则。加州理工学院的理论物理学家Kip Thorne认为它是“20世纪一个广泛流传、几乎家喻户晓的理论障碍”。

　　事件视界望远镜将首次为黑洞的存在提供确凿的证据

　　然而在之后的几十年里，科学家们逐渐认识到，Schwarzschild的观点是正确的。1939年，物理学家Robert Oppenheimer(他后来曾领导曼哈顿计划)在研究广义相对论20多年以后，在Schwarzschild研究的基础上建立了一个极有说服力的例证：某些恒星在耗尽了自己的原子核燃料之后，会因自身的重力而塌陷。上世纪50年代，美国和前苏联科学家在利用计算机模拟氢弹**时，分别独立用最复杂的数学公式证明了：当一颗质量足够大的恒星死亡时，内爆是不可避免的。

　　上世纪60年代，当天文学家们查找关键证据的时候，他们发现黑洞不只是一个数学概念，而是真实存在的。例如，除了巨大的黑洞，其他任何物质都不能使类星体发光。其中的某些类星**于可观测的宇宙边缘，正是这些类星体构照亮了成百上千的星系。上世纪90年代，天文学家发现，位于银河系中心附近的星体正以每小时几百万千米的速度在轨道上运行，而这种现象只有在它们绕黑洞运行时才可能发生。

　　现在，大部分物理学家已经接受了黑洞—一个重力无限大、拥有无限密度、时间凝固、光在其中被捕获的区域—的存在。黑洞可以分为两类：一类是质量与恒星相仿的黑洞，在星体坍缩后形成；另一类是质量巨大的黑洞，科学家认为这种黑洞存在于所有星系的中心。在每个黑洞的中心都有一个奇点，在那里所有已知的物理法则都不发挥作用。每个黑洞都有一个被称作“事件视界”的边缘，黑洞会从那里不断向宇宙的其他地方扩散。正如Doeleman所说，“事件视界”是“一层时间与空间的薄膜，使某些地方和我们所处的世界有原因地区分开来”。这扇出入宇宙的大门有着严格的规则—任何进入的物体都不能重新返回。

　　事实上，从来没有人观察过“事件视界”，但它应该是可以看到的。理论物理学家预测，黑洞周围的时间空间的极度扭曲将会创造一个被闪耀光圈包围着的黑色圆形阴影。事件视界望远镜的终极目标就是捕捉到一张来自那个阴影的图像。

　　假如这个项目取得成功，人们就能知道在黑洞的边缘，即宇宙最极端的环境下，广义相对论将会怎样被证实。这也会为一直只是被假设存在、而从未被证实的黑洞的存在提供确凿的证据。“现在我们只能假设，”加拿大滑铁卢大学的理论物理学家、EHT项目的合作者Avery Broderick说。“但是只有假设注定无法令人信服。除非你能在针尖上找到一个正在跳舞的天使，否则就没有立足点去追究在针尖上到底有多少天使在跳舞。”

　　在距离莫纳克亚火山240000万亿千米以外的地方，人马座A*正在向宇宙发射辐射。曾经属于星云和恒心的电子和离子以接近光速的速度绕黑洞运行，它们每24分钟绕周长为2.3亿千米的圆周转一圈，同时发出跨越电磁波谱的辐射。一小部分在2万6千年前发射出的辐射将于今晚到达地球，而其中更小的一部分甚至会降落在莫纳克亚的山顶，击打在射电望远镜天线的收集盘上。

　　如果一切正常的话，收集盘会把射电波导入氦制冷收集器里。在那里，射电波会通过地下光缆被传送至控制室。这些信号将会被一台空调大小、价值30万美金、每千万年只会误差1秒的原子钟标上时间、放大并数字化。随后，这些信号将会被记录在一个容量为8TB的硬盘里并运送至EHT的“透镜”—一台由超级电脑推动的相关器，它位于麻省理工学院设在波士顿郊区的Haystack研究所。

　　在Haystack，一名技术员会从参与观测的3个站点提取数据：位于夏威夷的亚毫米波阵列天文台和James Clerk Maxwell望远镜，位于加利福尼亚州的毫米波联合阵列天文站(CARMA)，以及设在亚利桑那州的亚毫米波天文望远镜(SMTO)。同时，科学家会试图从其他噪音中分辨出有价值的信号。尽管温度已经被降至仅比绝对零度高4摄氏度，望远镜接收器仍然会产生相当于宇宙信号强度10万倍的噪音。“在噪音的顶部有一小部分是信号—除了一点时间的差异和频率的改变—这在不同的观测站是几乎一样的，”负责EHT项目仪器的天文学家、电子工程师Jonathan Weintroub说，“不同观测站的信号相同是因为其来源是相同的。”

　　为了获得最高的清晰度，所有的工作要在每个站点正确地进行。在亚毫米波阵列天文台那里，一切正常。刚过晚上7点，在经过彻底的软件检查后，天线指向天空，记录器开始工作，长达12小时的观测工作开始了。一个装满零食的旅行袋在各处传递着。我坐在Ryan Howie—一位自从2007年第一次观测活动就在这里工作的20岁出头的望远镜操作员—身边，询问他今晚的准备是否很混乱。“完全没有，”他说，“其实这比前几次的运行要顺畅多了。”

　　今晚的天气非常完美。用射电天文学家的话来说，今晚的tau值为0.028。tau是天文学家们在衡量大气中水蒸气对观测效果影响时所采用的主要变量。即使在这座山上，即使在一个精心选择出来的观测点，一年里也只有10~15天能有今晚的清晰度。用Doeleman的话说，“今晚的天气就像是在宇宙里一样。”

　　然而，其他观测点的情况就不那么理想了。CARMA的tau值就非常高，让人恼火；而SMTO尽管tau值非常好，但在冰晶导致望远镜操作员无法顺利地把穹顶打开、将卫星天线指向大气层。但是，只要天气还算过得去，工作就得进行下去。在过去的几天中，袭击加利福尼亚和亚利桑那州的暴风雪迫使Doeleman和他的小组成员将望远镜的使用时间交给其他天文学家，而他们则躲进了供天文学家们吃饭睡觉、为观测进行准备的地下宿舍。

　　这个夜晚是今年能进行这项观测任务仅剩的两次机会之一。望远镜时间是珍贵的资源，时间分配委员会给了Doeleman和他的小组3个晚上的时间。为了增加所有的3个观测点出现好天气的几率，他们可以在8个时间窗口中任意选择3个。理论上，他们可以整年都进行观测，但是那意味着更多的金钱、更多的旅行和更多的后勤保障困难。理论上，他们也可以有更长的观测窗口(之前他们曾经有过)，但是那样每个人都需要在山上等待更长时间，等待那些恒星处于合适的位置。

　　黑洞提醒着我们：我们经常看不到世界的真实面目，而只能看到它的阴影

　　每天正午时分，Doeleman都会收到来自3个观测点的天气预报，并通过电话确认晚上是否进行行动。“这简直快把他弄疯了，”Weintroub说。他们正在努力让Doeleman做出决定的过程不那么痛苦，而关键的一步就是把EHT的专用数字设备永久地装在每一个站点上，这样当天气合适的时候就可以迅速开始观测行动。要实现这一点，就需要与望远镜时间分配委员进行紧密的合作，同时筹集购买和安装设备所必需的资金。此外，还需要更准确的天气预报。在莫纳克亚火山上，得到准确的天气信息不成问题—这里总共有11座观测站，其中的很多都配备有世界上最先进的设备，其中的一座甚至拥有自己的天气预报站。但是像SMTO和CARMA这样的小型观测站就没有这些条件，这让Doeleman无从判断这两个站点的最佳观测时机。

　　午夜，亚毫米波阵列的天线指向M87星系(它比人马座A*早出现4小时)中心附近的黑洞。Doeleman拨通了SMTO的有线电话(为了避免干扰仪器设备，不允许使用移动电话)，询问望远镜操作员什么时候能打开穹顶。几秒钟后，他挂断了电话。“太好了！”他说，“SMTO那边已经打开了穹顶，30分钟内应该就能开始观测。”

　　“是时候对M87进行两次扫描了，”Rurik Primiani说。这位25岁的麻省理工学院毕业生正在监视着亚毫米波阵列的碟形天线。

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原标题：望向银河中心黑洞：最大望远镜捕捉投射阴影黑洞中心银河

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