
人类对宇宙黑洞的探索今天将迈出开创历史的一大步。来自美国、智利、比利时、丹麦、日本、上海和台北的科学家在大马时间今晚(周三)9时同时召开一场多种语言记者会,发布一项「开创性成果」,结果果如外界预料,记者会上公开人类有史以来第一张黑洞照片,照片中可见到黑洞的核心是一团阴影,外头有一圈像甜甜圈的光环「吸积盘」,这圈气体与星尘不断「喂养」着黑洞。
虽然自爱因斯坦在1915年发表广义相对论后,科学家已推测出黑洞的存在,但由于黑洞范围连光线都无法逃逸,因此过去人类一直无法直接观测,仅能以物体被吸入黑洞前,因高热而释出的紫外线和X射线,去发现和了解黑洞。而美国航太总署(NASA)或科学界过往发表的黑洞「图片」,仅是以观测得到的数据绘制而成的「想像图」,而非实际黑洞的「照片」。
根据天文物理学家的理解,当质量庞大的恒星殆尽后,重力塌缩至无限小的「奇点」(singularity)便会成为黑洞,爱因斯坦提出的广义相对论认为,它的重力场极为强大,足以令任何物质、辐射和光线都无法逃逸。当黑洞形成,其周围便会形成一个介面,这个介面被称作「事件视界」(event horizon),简单来说,它便是黑洞边界,任何物质一旦越过边界都将被黑洞捕获,也就是此次望远镜的名字。
理论上,任何数据物质只要坠进「事件视界」内,便会彻底湮灭,但这概念却与量子力学冲突,因为根据量子力学定律,任何转化过程均可逆转,理论上应有能量或资讯可从黑洞逃逸。因此,近年科学界对「事件视界」提出了不少新观点。
美国物理学家波钦斯基(Joseph Polchinski)在2012年提出了「黑洞火墙悖论」,指出如根据量子力学定律,「事件视界」必须为高能量的「火墙」,将物质燃烧殆尽才坠进黑洞。但如果「火墙」真的存在,便违反广义相对论中的「等效原理」。因为在「等效原理」之下,引力质量和惯性质量等效,「火墙」便不应该出现,所以「火墙」存在与否,变相成为了量子力学与广义相对论的一场较量。
为解决「黑洞火墙悖论」,英国著名物理学家霍金(Stephen Hawking)在2014年便提出「灰洞」理论,认为黑洞周围根本没有「事件视界」,因为黑洞周围的量子效应令时空变化太剧烈,因此分界并不清晰,并提出以「表观视界」(apparent horizon)为真正的黑洞边界,取代「事件视界」。霍金相信,「表观视界」可将企图逃逸的物质和能量暂存,然后再将物质释放。但霍金认为,虽然资讯可以从黑洞逃逸,但它们会变得面目全非。
基于黑洞的物理学特质,因此所谓为黑洞「拍照」,其实是摄下黑洞的「阴影」。这次观测的两个特大质量的黑洞,分别是距离地球2.6万光年的「人马座A*」和距离地球5500万光年的「M87」。根据天文学家2000年首次模拟黑洞「人马座A*」的结果,天空平面(与视线方向垂直的面)会被黑洞「表观视界」的圆环一分为二。一边是在「表观视界」圆环以内的光子,只要在「表观视界」以外就能逃离黑洞,但受到很强的引力作用,亮度较低;一边是在「表观视界」圆环以外的光子,能绕着黑洞绕转多圈,积累的亮度足够高,因此两边的亮度便会出现差异,令科学家可以拍下黑洞的「真像」。