【科技．未来】证爱因斯坦百年前理论　黑洞照片扩阔人类“视界”

从来无人见过黑洞（black hole），却几乎公认黑洞存在。在理论物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）1916年发表“广义相对论”以来，一直只有“间接”证据证明黑洞存在，但上周终于打破僵局，在华盛顿、布鲁塞尔、圣地牙哥、东京、上海、台北六个城市同步举行的新闻发布会上，“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，EHT）项目总监Sheperd Doeleman宣布：“黑洞是宇宙最神秘的东西，我们看到了本来以为看不到的。我们拍了一张黑洞照片。”

由气体和尘埃组成的橙黄色环状光晕，包括中间黑色圆点，或许与我们对黑洞的想像有别，但这就是黑洞。这幅照片描绘的黑洞来自距离地球5,500光年的“室女座A”（Virgo A）星系中心，简称M87（Messier 87）星系；质量约为太阳的65亿倍。照片发布后两日，语言学家Larry Kimura把其命名为Powehi，取自夏威夷古曲，意谓“无穷创造的黑暗源头”。

美国国家科学基金会（NSF）有份资助整个项目，其总监France Córdova在记者会上首次看到黑洞照片后感动落泪：“我们研究了黑洞很久，有时甚至忘记其实无人见过。这照片将会深深刻在大家的记忆中。”马克斯普朗克电波天文研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy）总监Michael Kramer则认为，这照片将承先启后：“历史书将会分为黑洞照片前和照片后。”

犹如拍月球上的橙

黑洞素来极难直接观察，原因之一在于其“黑”。广义相对论表示，质量极大的物质压缩得够小就会形成黑洞，其引力之大，会令任何堕入其“事件视界”（event horizon）的物质（包括光）都无法逃离，所以称为黑洞。虽然黑洞本身不发光，但被黑洞吸入的物质会形成吸积盘（accretion disc），亦即照片上冬甩型光环，那是极高温的气体和尘埃围绕黑洞口极高速旋转而成，会产生电磁辐射，这些光被EHT观察到，拍下来的照片就像黑洞“剪影”。

但是，黑洞一般离地球很远，难以派太空人或机器观察，要在地球拍摄黑洞照片也绝不容易。来自美国加州理工大学的EHT成员Katie Bouman就形容：“我们想拍的影像在天空上真的很小很小，那大概相当于你想拍摄一幅月球上的橙的照片。”

为了拍摄黑洞照片，EHT以波长1.3毫米（mm）无线波段连续观察了M87星系数天，在这波长下影像会较明亮清晰，无线电波可穿过星系中心周遭的尘埃和气体，但要成功，还需有相当于地球直径尺寸的望远镜配合。为了取得强大“视力”，EHT使用“特长基线干涉测量法”（Very-long-baseline Interferometry，VLBI）技术，只要同时利用位于美国、西班牙、墨西哥、智利、南极洲六地共八组顶尖的无线电望远镜观测，例如位于智利阿塔卡玛的大型毫米波天线阵（ALMA）和南极望远镜等，就可变相合组成地球般大的望远镜，再把每个望远镜录得的观察数据整合，便可拍摄出黑洞照片。

Bouman在2016年的TED演讲中透过比喻解释这种方法：地球就好像disco中的旋转镜片球，不过，球面只剥落剩下八块小镜子：“这些剩下的镜子代表那些有望远镜的地方。虽然我们只在少数有望远镜的地方收集光线，但当地球旋转时我们可以不断获得一些新的测量数据。换言之，就像disco球旋转时，那些镜子也会改变位置，我们得以观察不同面向的影像。” 而NSF则表示，VLBI可让EHT的解析度高达20微角秒（micro-arcsecond），“视力”足以“在巴黎路边咖啡店阅读在纽约的报纸。”

Doeleman透露，NHT团队早于2008年已拍过照片验证相关概念，证明实验可行。但要各个望远镜达到一定技术水平，需要大量准备。某些情况可能比较简单，只是安装少许额外零件设备，但有观测站需要更换全新的感应器、镜头、图像处理器等。智利的ALMA就花了六年才完成升级。“我们要发展一个电子系统，让观察站原本60条天线的讯号变成好像只有1条天线。” Doeleman说。

要成功以VLBI拍摄黑洞照片，除有地利外，还要天时、人和。几大洲上的天空必须同时清澈，八组相距甚远的望远镜亦须准确协调同步，否则，各望远镜拍下的影像将难以整合。Bouman解释：“试想像EHT是个大的抛物面镜，当平行光进入盘面时，特定反射角度会使光同一时间抵达焦点。当EHT每个望远镜都能在时间上同步调校时，便能完美修正观测到的资料。如果镜子不稳定，譬如会振动的话，反射的光线将无法聚焦。对EHT而言，不稳定的讯号就像不稳定的镜面。”

所以，各观测地都使用了名为“氢迈射”（hydrogen maser）的原子钟（atomic clocks），可准确到每1亿年才误差1秒。然后在2017年4月某个晚上，万事俱备，“我们极之幸运，天气很完美。” EHT成员及伦敦大学学院研究员Ziri Younsi说。

以演算法重建真貌

当时，所拍到的原始数据高达5 PB（petabytes），“相当于听五千年MP3档，或根据我看到一项研究，是40,000人一生自拍照的总和。” EHT成员Dan Marrone说。由于数据量庞大，不可能经网络传输，只能直接把存有各处数据的硬碟，以海、陆、空三路运到德国波恩马克斯普朗克电波天文研究所及美国麻州理工学院（MIT）的海斯塔克天文台（Haystack Observatory）整合。

用望远镜拍到只是完成了前半部，后半部要交由包括Bouman在内三十多名电脑科学家完成。各支望远镜虽然从M87星系收集无线电波，但单凭这些数据不足以构成完整照片，加上大气干扰，Bouman曾向《华盛顿邮报》解释，这表示“有无限数量的可能照片”，因此需要精密设计的演算法。事实上，上周释出的照片是由几张以演算法重建的图像拼合而成：“我们模糊了两张图像，取其平均值，再与另一张图像结合，才得出今天发布的照片。”

Bouman解释：“我们要找办法处理疏落、充满杂讯的数据，尝试找出造成这些测量数据的可能影像。我们最终要做的是加入一个‘约束’，让我们能说：‘好，在众多适合这些数据的可能影像中，这组是最有可能的。’困难之处在于，我们不想加入太多额外资讯，以致结果有偏见，只得出（我们）想看到的结果。”

为了避免出现偏见，EHT把电脑成像专家分成四个小组，每组研究不同的演算法，组与组之间不准通讯。“我们那组颇有信心，至少在我们的图像中可看到环状结构。当然，我们最初不知道其他小组会不会有同样结果，直到我们全部齐集麻州，在会议第二天同时揭晓各自以数据重构的图像，那可能是整个计划最让我兴奋的一刻。当我看到每组都重建出光环，就知道这个结果十分可信。” Bouman说。

爱因斯坦是对的

有关黑洞的现代理论，基本上源于爱因斯坦及其广义相对论。然而，十八世纪英国牧师及自然哲学家米歇尔（John Michell）早于爱因斯坦出生前，已提出过称为“暗星”（dark star）的类似想法。最初，他试图以牛顿引力方程式来推测恒星质量，主要运用“逃逸速率”（escape velocity）的概念，即物件要逃离引力场所需速度（常用作计算火箭升空）。1783年，他写信给好友卡文迪什（Henry Cavendish、氢元素发现者），提出可能存在巨大“暗星”，“所有从这恒星发出的光，都会受它庞大引力拉回到它本身”，因而不可能被看见。法国天文学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）也在1796年独立提出过类似的暗星或黑洞想法。

爱因斯坦在1916年发表广义相对论方程式，形容引力是时间和空间的扭曲。这种概念前卫到连爱因斯坦都有保留，认为自己的方程式只在理论上可能，质疑“在物理现实中并不存在”，但德国物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）却从中获得灵感：基于广义相对论原则，物质可压缩至密度无限大的极细一点，轨迹称为奇点（singularity）。奇点会扭曲周遭空间，形成看不见边界的球状区域，任何东西都无法从中逃出。他还计算出当恒星塌缩到某个半径，就会导致时空塌陷。

支持爱因斯坦的证据陆续出现。在上世纪三十年代，年仅19岁的印度裔天体物理学家钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）推翻了恒星形成理论，其数学计算显示，一些巨大恒星燃烧殆尽后会塌缩成高密度、吸光的物体，并推断出质量至少为太阳1.4倍的恒星会无限塌缩。至五十年代，天文学家以无线电望远镜发现，貌似平静的星系中却从核心喷出无线电能量，能量远超过一般让恒星发光的热核聚变。天体物理学家猜测，能量可能是物质跌进超巨大、高密度物体时所释放。

及后，美国理论物理学家奥本海默（Robert Oppenheimer）引用爱因斯坦的理论证明奇点确实可以形成，只是他后来去了研发原子弹。到六十年代，另一位美国理论物理学家惠勒（John Wheeler）重新燃起对爱因斯坦理论的研究热情，并提出以“黑洞”命名这些奇点，启发新一代学者，霍金（Stephen Hawking）便是其中之一，他计算及提出黑洞消失的过程，后来被称为“霍金辐射”（Hawking radiation）。史瓦西半径（Schwarzschild radius）、钱德拉塞卡极限（Chandrasekhar limit）等也成为黑洞理论的重要术语。七十年代，天文学家从我们身处的银河系中心探测到人马座A*（Sagittarius A*）黑洞的无线电波讯号。在2016年镭射干涉引力波天文台（LIGO）探测到一对黑洞碰撞产生的重力波后，几乎推翻对黑洞真伪的质疑。

虽然这些后来的理论和发现，早已“间接”支持和肯定了爱因斯坦的设想，但科学界今次终于得以一窥黑洞的“真面目”，将更有力证实逾百年前提出的广义相对论所言非虚，也再次肯定爱因斯坦在物理上的重要启蒙贡献。

照片中显示的黑洞外貌与广义相对论的预期脗合。EHT科学理事会主席Heino Falcke指出：“若沉浸于光亮区域，例如发光气体光盘，我们预期黑洞会产生类似阴影的黑暗区域。这是爱因斯坦在广义相对论预测，而我们从未见过。”澳大利亚昆士兰大学天体物理学家Tamara Davis补充：“你可以看到光环一边比另一边亮，那是因为黑洞在旋转，而较亮那边是向着我们方向来。这现象都是相对论所预计的，若黑洞在转，一边会比另一边更亮。”

广义相对论引发了有关宇宙的新概念：时空可以抖动、弯曲、撕开、延展、旋转，甚至消失于黑洞之中。即使爱因斯坦自己不完全有信心，但黑洞照片证实他的假设，也有望提供更多讯息，有助回答宇宙未知之数，或提出新的问题。ETH董事会成员及东亚天文台台长贺曾朴说：“当我们能拍下黑洞阴影，我们可把观察所得与很多电脑模型比较，包括空间扭曲、超热物质和强磁力场的物理现象。观察到的黑洞影像有很多特征，这都意外地与我们理论上所理解的脗合，令我们对黑洞观察的解读更有信心，包括对黑洞质量的估算。”

黑洞照片的意义未必仅限于验证广义相对论。牛津大学天文学家Becky Smethurst指，某些情况下，黑洞周遭的压力会大到物质到达事件视界前就被喷出，放出的能量会大大影响银河整体。换言之，在事件视界发生的将会影响整个银河中的原子分布，当然包括某些我们在地球上所知道对于生命重要的原子，意味黑洞甚至对我们的存在可能扮演重要角色。

继续阅读：【科技．未来】首张影像只是开端　黑洞研究如何走下去？

上文节录自第158期《香港01》周报（2019年4月15日）《引证爱因斯坦百年前理论　黑洞照片扩阔人类“视界”》。

周报太空科技相关文章：

卫星互联网重临　新太空竞赛经已展开？互联网卫星笼罩地球　加剧太空垃圾危机？

抗宇宙辐射　自制氨基酸　要咩基因先可以住火星？改造基因适应太空　你有无资格生存？

各界重返月球　是竞赛还是合作？降低升空成本　贝索斯要太空探索遍地开花

更多周报文章︰【01周报专页】《香港01》周报，各大书报摊、OK便利店及Vango便利店有售。你亦可按此订阅周报，阅读更多深度报道。

【第一届武博】从李小龙到黄飞鸿，香港武术电影世界闻名，武博的“光影武林”隧道，以专业武术角度解构七套精选电影的武打场面，让观众从大银幕以外，真正了解武术的应用及背后理念。热爱武术电影的你，必撑！5月3至5日，眼界．决定境界，九展见！按此立即购票或按此浏览武博专页。