近报 -24版:新知-2017年05月12日

　　一个世纪以来,黑洞的身影出现在书籍、影视剧甚至商品包装盒上,那些都不过是计算机模拟的结果,是基于科学理论的想象。
　　2016年2月,人类“听”到了黑洞。13亿光年之外,两个黑洞合并产生的引力波探测到。2017年4月,为了给黑洞照张相片,4个大洲8个射电望远镜阵列组成了虚拟望远镜网络——“事件界面望远镜”。全球30多个研究所的科学家展开联合观测,针对观测数据的分析预计将在一年后完成,黑洞这个神秘存在会拥有一张“正面免冠照”。
　　包裹着虚空的光
　　美国时间4月11日,在海斯塔克天文台,工程师和天文学家结束了持续5天的观测。观测对象之一在银河的中心,1200万光年之外。40万个太阳的质量挤压在这里,引力牵动大小星体环绕运转。这片宇宙被煮沸了。喷射状的能量拖曳出长达100万光年的尾巴,像一场永恒持续的焰火表演。
　　长久以来科学家推测,名为半人马星系A*的超大质量黑洞就在这里。相比对周边物质狼吞虎咽的同类,它可能正在“节食”。它是隐身的。眼睛接收物体反射的光才能看见它们的样子。而黑洞不会放过任何一缕试图逃逸的光,无法被看到。
　　科学家采取了迂回战术。据黑洞研究专家、国家天文台研究员苟利军教授介绍,黑洞的中心是一个奇点,无限质量都挤在这一点上。奇点的外围是一片虚空,虚空的边沿被称为事件界面。事件界面上,被引力吸引的气体旋转着,因摩擦而发出耀眼的光亮。这次给黑洞拍照,对象并不是那一团虚空,而是包裹着虚空的光芒。通过确定事件界面的大小、形状,能进一步了解黑洞的样貌。就好像透过半透明的蝉蜕,了解高树上难寻踪影的蝉。
　　科学家猜测,事件界面会像天幕中一只金色的圆环。因为多普勒效应,朝向我们流动的那半个环蓝一点,远离我们的则红一点。银河横亘在地球的眼睛与那片光之间。海斯塔克天文台的哈尼奥·法科列表示,这条繁星组成的河流更像一面“结霜的玻璃”。只有少数光子才能穿过而不被吸收。
　　这次观测的射电望远镜采用了射电波段内波长最短的毫米波,以期窥见更清晰的细节。尽管“眼见为实”指的通常是可见光,照片仍会真实反映出黑洞的模样。实际上,在天文学家眼里,真实的形式是丰富的。
　　苟利军展示了一幅长图:银河在不同波段内呈现出不同的样子。形状大小没有改变,在能量最高的伽马射线波段,它是青绿色背景上一条镶金的红带子；在红外线波段,它是紫色幕布上一条白金色裂缝。

　　月球上的橘子
　　这样的照片极有可能拍不清楚:拍摄对象站得太远,又太小了。
　　研究人员发现,半人马星系A*所占区域的直径只有1.5亿公里,不过一个天文单位。“站在地球上看事件界面,它和月球上的一只橘子差不多大。”苟利军说。目前人类从地球上拍摄月球表面最清晰的画面包含13000个像素,每个像素覆盖的实际区域能铺下1500万只橘子。
　　想看清月球上的橘子,德勒曼和他的团队需要一架地球一样大的望远镜。2014年,球面射电望远镜FAST建造成功,口径500米,宛如贵州省黔南布依族苗族自治州青山中的一口白色大碗。
　　当最大口径的单个望远镜也无法达到所需要的清晰度时,“长基线干涉技术”(VLBI)有了发挥空间。为了获得更清楚的视线,科学家尝试将多处望远镜联合起来。望远镜彼此距离越远,看得越清晰。
　　南到南极、北至西班牙,从休眠已久的火山口顶到终年不化的冰层,人类之眼逐一睁开。8座射电望远镜组成了一张地球一样大的视线之网。联合这8只眼睛的协调工作花费了10年。
　　苟利军打了个比方。事件界面的光子穿过宇宙映照在望远镜里,拼凑出图像。它们像沉默的旅客一批批到来。每批携带着某一时刻的图像信息。8座射电望远镜像8座车站等待着它们。同一批旅客到达不同车站的时间点不会完全一致。如果按照到达时间整理他们携带的信息,就会搞错批次。不同时刻的光子混在一起,最终将得到失真的图像。科学家必须把控好这8座车站的精确时间表。
　　为了保证最好的观测效果,被选择的望远镜都位于高纬度、高海拔、气候干燥的地点。“地球上这样的好位置是有限的。”这些格外明亮的眼睛和当红明星一样,有着格外紧张的档期。希望借助它们完成的科学探索计划排着长长的队伍。
　　另一方面,整个观测期间,位于四大洲的这8个地点都需要好天气。2017年内这样的窗口只有10天。
　　大部分望远镜并没有可以支持VLBI技术的设备。事件界面望远镜团队需要一家家拜访,调整硬件设备,安装新的数字信号处理器和数据存储器。在智利的阿塔卡马大型毫米波阵,德勒曼的伙伴甚至需要爬进望远镜的大碗里去重连电路。

　　照片要一年以后
才能“冲洗”出来
　　还得等上一年,这张照片才能被“冲洗”出来。
　　事件界面望远镜最终每一个晚上产生的数据量达到2PB,相当于200万部蓝光电影。如此大的数据量无法凭借网络发送,要被储存在1024个硬盘里,邮寄到海斯塔克天文台和德国波恩的马普射电所。
　　这其中,南极射电望远镜的数据直到今年9月才能被飞机取出。在那之前,漫长的南极冬天将阻挡任何交通。
　　数学家、物理学家、天文学家并肩合作。超级计算机将对这些数据进行处理。随着地球旋转,8只眼睛拍摄到的图像都会有不同程度的变形。计算机算法能在这些图像中选出“更接近真实”的图像,从而还原出被拍摄星体的准确全貌。要做到这点需要学习。科学家“喂”给它越多的真实图片,这套算法对“真实”的判断就越准确。
　　黑洞和被拍摄的其他星体不同,没有人真正见过。科学家试图接近的真实是一团虚空。他们当然可以选取依据理论模拟出的黑洞图片作为典范。这潜藏着一个巨大的危险:如果爱因斯坦错了怎么办?
　　鲍曼和她的同道者尽力做到公允。他们“喂”给机器的拼图碎片里,不仅有模拟的黑洞照片,也有其他星体的照片,还有来自于网络的海量日常图片。在观测前的模拟过程中,这三类碎片都获得了相近的拼图。她和伙伴总算放心了一点。
据《中国青年报》