原標題：黑洞正播放着宇宙歷史的鏡頭，而物理學家則努力破譯每一幀中的宇宙“史詩”

黑洞的神祕身影正在變得越來越清晰。2019年4月，一張在周遭一片黑暗的圍繞中閃動着朦朧橙光的圓環照片，令數十億人爲之驚歎，這隻“甜甜圈”是人類拍攝下的首張黑洞照片。今年3月，天文學家們又公佈了第二張黑洞照片，橙光圓環上多了一道道順滑而細膩的明亮細環，像極了旋轉煙花。

其實，大多數人都太過沉浸於將數據轉化成圖片的過程，卻鮮有人嘗試去理解影像所傳達的深層信息，而這纔是其真正重大的意義所在。

過去兩年中，研究者們不懈探求，終於建起一片佈滿“魔鏡”的天地：黑洞的引力從各個方向吸收光線，然後將其扭曲並向觀者發送——我們所看到的神奇是“魔鏡”對黑洞周圍環境做了無限次重構得來的圖像，堪稱一部講述宇宙歷史的史詩鉅製，在數百億公里的巨大弧形屏幕上放映。

宇宙影院中的廉價座席

首張黑洞照片公佈時，大多數人都沉浸於觀測數據是如何轉化成圖片的，但天文學家卻致力於理解影像所傳達的深層信息。美國哈佛大學的射電天文學家邁克爾·約翰遜回憶，發佈結束後，他和同事們聚在一起探究同一個問題：這隻“甜甜圈”究竟是什麼意思？

如果宇宙是一座大電影院，M87超大質量黑洞是影院大屏幕上播放的一部電影，那麼從地球上觀測它，就好比在一個偏遠（大約5500萬光年開外）的廉價座位（觀影視角相當差勁），去觀看黑洞影像——人類永遠都難見其全貌。

不過即便如此，通過堅持不懈的努力觀測，我們眼前所獲得的照片或許已足以展現黑洞的真實歷史了，或許也足以給愛因斯坦的理論以最高級別的檢驗，甚或足以令人類對空間和時間有更深的理解。

黑洞可能是愛因斯坦廣義相對論中最驚人的預測，它將廣義相對論的核心思想展現到了極致：黑洞的密度是如此之大，以至於時空被其無限扭曲；任何距離過近的事物都會被它拖入無盡黑暗。

儘管愛因斯坦懷疑黑洞是否真實存在，至少迄今爲止還找不出有宇宙學觀測證據與之矛盾，而且近幾十年來的觀測令我們相信，黑洞確實存在。

大型恆星“死亡”所坍塌形成的小型恆星，質量約爲太陽質量的10或20倍——LIGO（激光干涉引力波天文臺）於2015年檢測到的引力波，就是由兩個這樣的天體合併而引發的“時空漣漪”。而且，幾乎在每個星系（包括我們的銀河系）中心出現的超大質量黑洞，都擁有數百萬至數十億個太陽質量的“體格”，那些觸動引力波的小恆星在它們面前簡直是秋毫之末。

2019年的黑洞圖像來自室女星系團中的超巨橢圓星系M87，其質量可能達到太陽的65億倍。事件視界望遠鏡（EHT）團隊使用複雜的信號處理，將來自世界各地射電望遠鏡的數據組合成M87核心的圖像，圖片的最終分辨率與地球口徑的單個無線電天線相當。

在這張圖片中，橙色光環中心的黑暗是黑洞的陰影，被黑洞的引力放大、變形。可週圍的橙色光芒到底是什麼？一開始沒人能真正回答這個問題。

爲解析圖像，理論派與實驗派研究者並肩作戰。“我的職責是找到通用語言。”約翰遜表示，他的同事中有黑洞觀察者、黑洞模擬器專家、黑洞理論家……但術業有專攻，隔行如隔山，要讓大家形成有效溝通非常困難，每一塊研究內容都太專業了。

從黑洞視角捕捉宇宙歷史

自從M87的黑洞圖像問世，物理學家運行了許多關於M87的磁流體數值模擬（GRMHD）——將廣義相對論與磁流體動力學相結合，描述圍繞黑洞的高溫電離氣體的行爲。每次模擬，科學家都會先做一些可能產生無線電波的假設，接着計算黑洞引力對電波路徑的彎曲，最終預測得到黑洞圖像。

研究團隊發現，EHT照片裏模糊的橙色輝光，可能源於大量黑洞引力彎曲電波路徑：黑洞以強大的力量映現了電波的形狀，而隱藏了真實的發射源。

不過，儘管這些模型無助於尋找來源，卻揭示了一些出乎意料又引人入勝的內容。研究團隊成員們預測：寬而模糊的橙色光環中應該會有非常明亮的細環。哈佛大學的盧普薩斯卡認爲，這首先意味着很多困惑。

幾十年前就有人對黑洞發起過探尋。1959年，進化論奠基人查爾斯·羅伯特·達爾文之孫、英國物理學家查爾斯·加爾頓·達爾文就做出了類似預測。他介紹了黑洞周圍的宇宙之光如何靠近它、繞着它遊走，那些靠得更近、軌道更多的光子將被捕獲。後來的工作表明，特定軌道數的光可能會被黑洞壓縮成一個細環。這一切都是在表達“黑洞影像不限於寬闊而模糊的橙色光圈，還包含了明亮細環”。

不過，這一切的前提是預設黑洞不會旋轉，但實際上黑洞應該會旋轉，從而保留其所吸入物質的角動量。

美國紐約巴納德學院的天體物理學家詹娜·萊文表示，黑洞旋轉的字面含義是將時空拖入其周圍的漩渦。它附近的所有物體，包括光線，都會被拖着轉。不過，沒人研究過這個問題，“它太複雜了”。

但GRMHD模擬已證實了基本情況。模擬結果表明，如果我們仔細觀察，會發現又細又亮的光子環由無限個子環嵌套組成，每個子環都由光子繞黑洞旋轉一定圈數而形成，它們越接近黑洞中心陰影的邊緣，就越暗越薄，而且這種變化是指數級的。由於內部子環由具備更多軌道的光組成，故而這些光子會更早被黑洞中心捕獲。研究團隊在發表的論文中寫道：“總而言之，子環的集合類似於電影的幀，從黑洞的視角捕捉到了可見的宇宙歷史。”

在橙色光環上，相鄰子環間的年齡差爲6天。因此，只有爲數不多的若干幀能將宇宙歷史映射給我們，而且我們所能看見的歷史很短暫。按照約翰遜的說法，我們甚至“追溯不到恐龍時代”。

儘管如此，這些光環依然充滿價值。首先，它們的大小和形狀並不取決於光子的來源，而僅取決於黑洞的性質。這就可以讓物理學家通過研究光環來判斷黑洞的性質。

目前，研究者估計M87黑洞的質量與65億個太陽相當，估值誤差不超過15%。由於黑洞光環的寬度取決於黑洞質量，盧普薩斯卡認爲，如果科學家能分辨出超細光子環並測量其尺寸，那麼或許就可以實現誤差不超過1%的精確測量。

其次，黑洞周圍的旋轉時空會將光環略微壓扁，因此它們不是完美的圓環形。通過對其形狀的分析，我們有望獲得關於黑洞旋轉的準確數據。這就可能將M87的歷史透露給我們——它是否經歷了一系列與較小黑洞的隨機碰撞，從而令其整體旋轉程度降低？抑或它通過從其宿主星系大量獲取不斷向上旋轉的氣體，從而增加自身轉速？這一切都有待回答。

對廣義相對論進行最嚴格檢驗

測量黑洞的自旋也能幫我們解釋黑洞如何噴發出那些強大的、接近光速傳播的物質射流。這些射流從宿主星系中噴出，可以飛行數十萬光年的距離，最終以巨大等離子體羽流的形式遍佈整個宇宙。

一種爲更多人認同的理論是，黑洞的自旋與周圍磁場相結合，從而扮演了發電機的角色——產生一個強大電場，大到足以將電子和正電子從真空中抽出，將它們加速成兩道射流；每個射流背離黑洞的一個極點而去。

光子環還可作爲對廣義相對論最嚴格的檢驗證據。廣義相對論非常適用於地球引力場的弱引力區域。爲此，科學家每天都要做數十億次驗證操作，因爲驗證以時間扭曲爲基礎——衛星導航通過精確允許相對時間扭曲實現驗證。

2004年，美國宇航局（NASA）發射的引力探測器B幫助我們看到了地球自旋引起的參考系拖拽。我們可以將地球自旋看作黑洞周圍時空漩渦折兌至地球的極弱化版本。

至於相對論真正發揮作用的極端引力場，目前，由引力波探測器常規採集到的黑洞碰撞形成的回聲與愛因斯坦的理論是相符的，但如果要測算黑洞光子環間距，對精確度的要求就會非常高。

萊文認爲，這是檢驗相對論的好方法，因爲很難以其他任何方式看到這類內部軌道。如果實測結果與廣義相對論的預測有任何偏離，都會有助於物理學家建構一套引力量子理論（長期以來學界一直缺少此類理論的支持），幫助人類搞明白空間和時間是如何組成的、宇宙大爆炸的初始瞬間究竟發生了什麼，以及黑洞裏面到底有些什麼。

作者：劉迪一/編譯

編輯：許琦敏

圖片來源：視覺中國

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