黑洞照片是怎么拍出來的？

要給黑洞拍照，科學家們想出的辦法很巧妙——尋找黑洞的“剪影”。
什么叫剪影呢？想象一下，你站在明亮的背景前，把手舉起來擋住陽光，手就會在地上投下一塊陰影。黑洞拍照的原理也是這樣。黑洞本身確實看不見，但它周圍有高溫氣體盤，會發(fā)出明亮的光。這些光線靠近黑洞時會受到強烈引力的彎曲，有些光線被吞噬，有些則繞著黑洞轉(zhuǎn)彎逃逸出去。最終我們在圖像中看到的就是：一圈彎曲發(fā)亮的光環(huán)，中間是一個完全黑暗的“影子”。這就是黑洞的剪影。
早在2000年前后，天文學家法爾克等人就提出了一個大膽的想法：能不能用遍布全球的射電望遠鏡組成一個陣列，來觀測銀河系中心黑洞的陰影？當時這個想法聽起來簡直是天方夜譚，但是進入21世紀，全球多國的天文學家決定聯(lián)合起來，醞釀了一個前所未有的觀測計劃：打造一臺地球大小的虛擬望遠鏡，去拍攝遙遠黑洞的照片。這個計劃后來被稱為“事件視界望遠鏡”，英文叫Event Horizon Telescope，簡稱EHT項目。
EHT的思路是，利用干涉測量原理，把分布在世界各地的射電望遠鏡協(xié)同起來，就像拼接出一面覆蓋整個地球的巨型鏡子。這樣一來，望遠鏡的有效口徑相當于地球直徑那么大，足以看清幾千萬光年外黑洞周圍的細節(jié)。這個艱巨工程從籌劃到實施的全過程。塞思·弗萊徹是位科學記者，他跟隨拍攝團隊多年，用紀實的筆觸還原了科學家們?nèi)绾蝿?chuàng)造奇跡的故事。
主角之一是謝普·多爾曼，EHT項目的發(fā)起者和負責人。他和一群富有冒險精神的天文學家立下了雄心壯志：要在全球架設(shè)一張望遠鏡“天羅地網(wǎng)”，捕捉黑洞的真容。這聽起來容易，做起來可太難了。弗萊徹跟隨多爾曼的腳步，帶我們看到了這項任務的復雜程度?？茖W家們要奔波于世界各地的天文臺：美國亞利桑那高原上的亞毫米望遠鏡陣列、南美安第斯山的阿塔卡馬沙漠望遠鏡陣列、夏威夷火山頂上的天文臺，甚至南極點冰天雪地里的 SPT 望遠鏡，都成了他們的目的地。要讓這些相隔萬里的設(shè)備同時協(xié)同觀測，團隊面臨的困難一個接一個。
首先是設(shè)備升級和技術(shù)攻關(guān)?？蒲腥藛T夜以繼日改造望遠鏡的場景。他們需要為各臺望遠鏡安裝全新的超高精度原子鐘，確保不同地點的觀測數(shù)據(jù)時間同步到十億分之一秒的級別——只有這樣精確，日后才能把各地記錄的信號準確疊加在一起，合成清晰的圖像。一個緊張的場面：在某座偏遠山頂?shù)奶煳呐_里，科學家們小心翼翼地把一臺沉重的銫原子鐘從一樓搬到二樓的控制室。表面看這只是普通的搬運工作，但弗萊徹用細膩的筆觸還原了科學家們?nèi)缏谋”男膽B(tài)。他寫到，樓梯狹窄陡峭，每一步都關(guān)系著千萬美元設(shè)備的安危，所有人屏息凝神，生怕一個不小心前功盡棄。這臺鐘將為望遠鏡提供精準的時間基準，它的每一次“滴答”都關(guān)系著能否捕捉到黑洞。
除了技術(shù)挑戰(zhàn)，更大的考驗是全球協(xié)作。在全球范圍調(diào)度資源，就好比指揮一場跨國“交響樂演出”：每個望遠鏡都是樂隊中的一件樂器，必須在同一時間奏響同一首曲子。想想看，同一時刻，智利是凌晨，夏威夷是黃昏，多個時區(qū)的望遠鏡要在天氣晴朗的時候同時指向同一個目標。這需要團隊精確計算地球自轉(zhuǎn)和各地日出日落的時間，也需要老天爺配合——只要有一個地方遇到壞天氣，整場“演出”就功虧一簣。

為了這難得的同步機會，科學家們籌劃了好多年，申請觀測時間、協(xié)調(diào)國際團隊，真的像在排練一場極其復雜的交響樂。2017年4月，關(guān)鍵時刻到了。各國天文臺嚴陣以待，硬盤陣列高速記錄著海量的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量實在太龐大了，根本沒法通過網(wǎng)絡傳輸。科研人員早早準備好了“快遞方案”：把裝滿數(shù)據(jù)的硬盤從各地空運到美國麻省的處理中心，再進行統(tǒng)一分析。當最后一個觀測夜晚結(jié)束時，南極站點因為極夜即將進入半年的冬眠，北半球的望遠鏡也相繼完成了任務，全世界的科學家都屏住了呼吸，等待著數(shù)據(jù)“沖洗成像”的結(jié)果。
這一等，就是整整兩年。數(shù)據(jù)處理和圖像重構(gòu)是格外艱巨的工作，需要全新的算法和極大的耐心。為了避免先入為主的偏見，四組完全獨立的科研團隊分別處理數(shù)據(jù)，直到確認結(jié)果完全一致才公布答案。在這個過程中，還涌現(xiàn)出了很多動人的故事。比如，年輕的計算機科學家凱蒂·鮑曼參與開發(fā)了重建圖像的關(guān)鍵算法。2019年4月，當?shù)谝粡埡诙磮D像即將公布時，團隊成員在辦公室合影留念，凱蒂激動得用雙手捂住了臉——這一瞬間的照片后來在網(wǎng)上走紅，成為科學史上的經(jīng)典畫面：年輕的女性科學家與黑洞影像同框，象征著新一代科研力量的崛起。
終于，激動人心的時刻到來了。2019年4月10日，包括中國上海天文臺在內(nèi)的全球多地同步召開新聞發(fā)布會。當那張期盼已久的黑洞照片首次展示在世人面前時，現(xiàn)場掌聲雷動，有人激動得熱淚盈眶。
正如歷史學家評價的，EHT的首張黑洞影像不僅精彩驗證了愛因斯坦的理論，更為黑洞的真實存在提供了無可置疑的直接證據(jù)。照片中明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和中心的黑暗區(qū)域，與廣義相對論的預測高度吻合。這意味著什么？愛因斯坦100多年前寫下的方程，依然準確無誤。他仿佛正跨越時空與我們會心一笑：曾經(jīng)被他懷疑的黑洞，如今以如此直觀的方式向他致敬。
也難怪這本書的英文名字翻譯過來，叫做“愛因斯坦的影子”——黑洞投下的“暗影”，正是愛因斯坦理論在宇宙深處留下的印記。