后記

目前，經(jīng)過近兩年的數(shù)據(jù)處理和分析，第一次全球合作的EHT觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)得到結(jié)果，M87星系中央黑洞的圖像也已面世，為驗(yàn)證廣義相對論提供了最直接的視覺證據(jù)。此時(shí)，筆者有幸再次來到JCMT，聽聞它將新安裝一個(gè)345GHz的接收機(jī)用來進(jìn)行下一輪EHT觀測，這意味著未來將得到更清楚的VLBI圖像，也是對目前結(jié)果的多重驗(yàn)證。如果說黑洞的圖像是EHT系統(tǒng)開出來的花朵，那就讓這朵花開得更絢麗些吧。

快問快答

本文作者還就相關(guān)問題采訪了嘉賓清華大學(xué)物理系、清華天體物理中心樓慶宇教授

問：所謂“拍攝黑洞”本質(zhì)是什么意思？我們是通過什么“看”到黑洞的？

樓慶宇：球?qū)ΨQ的靜止黑洞有一個(gè)“事件視界”（event horizon），也稱Schwarzschild半徑。在其內(nèi)的物質(zhì)和光子都無法逃逸出來，所以稱為“黑洞”。長期以來，我們一直通過黑洞與周邊的物質(zhì)和輻射場的作用（例如常常提到的吸積盤）來推測黑洞的存在及估計(jì)其物理參數(shù)。軸對稱的旋轉(zhuǎn)黑洞（Kerr解）有其相應(yīng)的“事件視界”，基本物理理解同上。旋轉(zhuǎn)黑洞附近時(shí)空會被嚴(yán)重彎曲拖曳，快速旋轉(zhuǎn)的吸積盤物質(zhì)的電磁輻射在此彎曲時(shí)空中傳播成像。人們可以通過此類模型的參數(shù)調(diào)整擬合與觀測到的吸積盤物質(zhì)的電磁輻射像來獲取黑洞“事件視界”的輪廓像。我們是在這個(gè)意義上“拍攝黑洞”或稱“看”到黑洞的。

問：為什么EHT（Event Horizon Telescope） 會選擇銀河系中心和室女系M87中心這兩個(gè)“事件視界”半徑最大的黑洞作為首要目標(biāo)？其中M87距我們有5000多萬光年之遙，其成像難度是不是比距我們2.6萬光年的處于銀河系中心的黑洞大很多？

樓慶宇：EHT在毫米波段運(yùn)用的甚長基線干涉陣列技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry--VLBI）有非常高的角分辨率，又因?yàn)橛惺鄠€(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡和陣列的共同參與，EHT的靈敏度空前地高。EHT的角分辨率可以用1毫米（觀測波長）來除以1萬公里（約地球直徑）來大致估計(jì)，即百億分之一。銀河系中心的黑洞和室女系M87 （Messier 87, also known as Virgo A or NGC 4486）中心的黑洞都屬于所謂的超大質(zhì)量黑洞（Supermassive Black Hole -- SMBH），前者是400萬太陽質(zhì)量，后者是64億太陽質(zhì)量。Schwarzschild半徑Rsch=2GM/c^2，這里G是萬有引力常數(shù)，M是黑洞質(zhì)量，c是真空中的光速；故太陽質(zhì)量對應(yīng)的Schwarzschild半徑約是3公里。請注意，Schwarzschild半徑與黑洞質(zhì)量M成線性比例。EHT選擇較近的超大質(zhì)量黑洞作為首要目標(biāo)是自然合理的。再注意，5000多萬光年與2.6萬光年的比值約2000。64億太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞與4百萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞的比值約1600。故兩個(gè)黑洞看起來大小差不多。這就是為什么EHT同時(shí)選擇這兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測。

問：天體物理一般怎么處理觀測數(shù)據(jù)和模型之間的關(guān)系？該如何評估數(shù)據(jù)分析的可信度？

樓慶宇：在這次EHT的觀測中， 我們想象有吸積盤，吸積盤有輻射，里面有黑洞，黑洞或許還是旋轉(zhuǎn)的，會極度拖拽扭曲時(shí)空，周邊的吸積盤可能是以相對論速度在轉(zhuǎn)，輻射出來的東西現(xiàn)在能看到的只是毫米波段的，最終能看到光子在扭曲的時(shí)空里怎么走。這個(gè)模型里有很多參數(shù)，比如黑洞質(zhì)量、吸積盤離黑洞的距離、吸積盤質(zhì)量、吸積盤大小、吸積盤往外延伸多遠(yuǎn)、吸積盤是否平整，甚至吸積盤里等效的粘滯系數(shù)等一系列的參數(shù)都不是很確定。但無論如何，我們構(gòu)建一個(gè)模型，有些參數(shù)相對更可靠一些，有些差一點(diǎn)，然后根據(jù)參數(shù)成像。參數(shù)需要反復(fù)調(diào)整，最后據(jù)此制造一個(gè)模型的像，使之跟望遠(yuǎn)鏡的像相近。那么會不會有其他參數(shù)也能成同樣的像？原則上有可能，同一個(gè)像有可能對應(yīng)著幾種不同的參數(shù)，參數(shù)不一樣圖像就不一樣，意味著數(shù)據(jù)分析的結(jié)果并不惟一。但可以根據(jù)其他一些因素進(jìn)行分析，最終推測是否只有某一種最為合理。如果結(jié)果不那么惟一，理論家之間就會對模型有所爭執(zhí)，但仍舊會根據(jù)已知的信息判斷哪一個(gè)更為合理一點(diǎn)，日后有條件再進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。有些研究的結(jié)果聽起來是非常合理的，比如Hans Bethe的熱核反應(yīng)，計(jì)算和理論預(yù)計(jì)吻合得很好，但是都涉及模型的構(gòu)建問題。

采訪未經(jīng)本人審閱

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《返樸》，國際著名物理學(xué)家文小剛與生物學(xué)家顏寧教授聯(lián)袂擔(dān)任總編。關(guān)注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉(zhuǎn)載或合作請聯(lián)系fanpu2019@outlook.com。