黑洞深处 -一张里程碑式的照片
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黑洞深处 -一张里程碑式的照片
在5500万光年外的一个星系中心，存在着一个质量是太阳的数十亿倍的超大质量黑洞，周围围绕着数以万计的恒星。现在，我们在人类历史上首次观察到了它的模样。”事件视界望远镜”联合项目领导者，天体物理学家谢博德·杜尔曼来到TED，与克里斯·安德森一起站在台前，讲述这张史无前例的标志性黑洞照片背后的故事——以及背后所付出的艰辛。
克里斯·安德森： 谢普，感谢你的到来。 我听说你乘坐的航班 两个小时前刚到达温哥华。 非常高兴今天你能来这里。 那么，给我们讲讲你是如何 从爱因斯坦方程式中提取黑洞信息的？
谢博德·杜尔曼： 100多年前， 爱因斯坦提出了引力的几何理论， 这个理论改变了时空。 所以，物质改变了时空， 而时空反过来规定了物质的运行规律。 你可以将足够多的物质 聚集到一个非常小的空间里 撞击时空， 即使是光也无法逃离， 引力的作用会使得光困在里面。
安德森：在那之前， 地球之所以围绕太阳公转的理由 并不是我们以为的太阳吸引着地球， 而是字面意义上的 太阳改变了宇宙的形状， 所以地球可以说是 正在向太阳靠近并公转。
杜尔曼：没错，时空的几何结构 规定了地球围绕太阳公转的轨道。 你几乎能看到一个黑洞穿过时空， 当它进入很深的时候， 在某个时刻光就会围绕黑洞运转。
安德森：我猜这就是 现在我们所看到的景象。 这不是一张照片， 这是电脑模拟下我们所想象的 在黑洞周围的事件视界。
杜尔曼：直到上周，我们才 知道黑洞的真实样貌。 我们所能做的就是用超级电脑 构建类似的模拟场景， 但即使是现在，你看到的这个光圈， 其实是光子的运行轨道， 它展现了光子围绕黑洞的运行轨道， 在它的周围是高热气体，被拉近黑洞， 它们之所以很热是因为摩擦。 这些气体试图压缩体积， 所以它们的温度会上升。
安德森：几年前，你接受这项任务 来尝试并且、构想出这些东西的样子。 我猜—— 你一直在研究宇宙中的这个星系。 给我们介绍一下这个星系吧。
杜尔曼：这就是我研究的星系。 我们现在要放大M87星系， 它距离我们5500万光年。
安德森：5500万。
杜尔曼：距离非常远。 在这个星系的中心， 有一个相当于65亿倍太阳质量的黑洞。 对于我们而言很难 准确测量其质量，对吧？ 65亿倍太阳质量的物质 压缩在这一点。 并且这个黑洞掌管着 这个星系中心的一部分能量。
安德森：虽然它这么大， 但因为它距离地球很远， 要想拍摄到它的照片， 这非常困难。 分辨率要求之高令人难以想象。
杜尔曼：黑洞是宇宙中 已知的最小的物质。 但它们对于星系整体而言 有着巨大的影响。 想要看到它， 你需要一个像地球那么大的望远镜， 因为我们正在观察的这个黑洞 会发出大量的无线电波。 它无时无刻不在发出这些电波。
安德森：这就是你所做的事。
杜尔曼：没错。你现在所看到的 是我们部署在全球的望远镜， 我们让它们与原子钟完美同步， 让它们接收黑洞发出的光波， 然后我们将所有数据 拼接在一起组成黑洞的照片。
安德森：为了达成这个目标， 所有望远镜所在地的天气状况 都必须达到一定条件， 这样你们才能有清晰的视角。
杜尔曼：在很多方面 我们都需要幸运的眷顾。 有时，运气比正确操作更重要。 我认为这一次，我们不但 操作正确，运气也很好。 但我们需要接收来自黑洞的光线。 它必须穿过星际空间。 穿过地球的大气层， 中途还有可能被水蒸气吸收， 但一切都非常完美。 地球的大小， 在波长一毫米的光线下， 正好能够展现5500万光年外 那个黑洞的样子。 宇宙正在告诉我们应该做什么。
安德森：所以你们开始收集海量的数据。 这些只是其中一台 望远镜所收集的数据的一半？
杜尔曼：是的，这是 我们小组的一员，林迪·布莱克本， 在他旁边的是 大型毫米波望远镜 记录下的一半的数据， 这架望远镜位于墨西哥 一座近5000米高的山上。 他手上拿着的数据 大约有拍字节的一半。 用易于想象的东西来比喻的话， 大约能存放5千人一辈子的自拍照。
（笑声）
安德森：数据非常多。 所以只能通过线下运输， 你们没办法在互联网上传输。 所有的数据都被运送到一个地方， 然后计算机开始解析这些数据。 当时你并不知道 最终的结果是什么样的。
杜尔曼：我们是这么工作的。 想象打碎一面镜子， 然后把所有的碎片四散开来。 普通镜子的工作原理 是通过镜面反射， 所有的光在同时聚焦在某个特定的点。 我们有了所有的数据， 在原子钟精度的帮助下， 我们将这些数据准确输入超级计算机。 然后我们重构了一个地球大小的透镜。 只能通过飞机运送数据。 没有哪个网络比一架满载硬盘的 波音747飞机更快的了。
（笑声）
安德森：那么我猜，在几周或几个月前， 在某地一台电脑的显示器上， 黑洞的形象在那一刻 渐渐成形。
杜尔曼：嗯，这花了好一会儿工夫。
安德森：看看这张照片。 这就是黑洞。 这就是黑洞的第一张照片。
（掌声）
给我们介绍一下这张照片吧。
杜尔曼：我依然非常喜欢这张照片。
（笑声）
现在你所看到的是 光子最后一次运动的轨迹。 爱因斯坦的几何学说 彻底展现在你们眼前。 这次对时空的撞击之深， 使得光子在轨道上绕圈， 这样黑洞身后的光，我觉得 我们马上就可以看到它了， 就会绕圈，并且在 这个轨道上的平行光线 马上就会来到我们这里。 事实上，这个轨道是27的平方根， 与一些基本常数相乘。 如果你认真思考，就会发现它非常奇妙。
安德森：当... 在我脑海里，我最初认为 黑洞就是一个事件视界。 有许多物质和光线围绕着它转。 但事实远比我想象的要复杂。 给我们解释一下这个动画， 它展现了光正在透过这个黑洞。
杜尔曼：你现在看到的是 在黑洞后面的一些光透过它， 有些光的确会一直绕着黑洞转。 但如果光足够多， 它们来自黑洞周围的高温气体中， 那么最终你将看到这些光线 以屏幕上所呈现的方式聚集在一起， 就像你和我现在站在台上一样。 然后你会发现这个环逐渐成型。 这就是爱因斯坦 在百年前所预测的事情。
安德森：这真是令人吃惊。 现在，能不能再解释一下这张图片？ 首先，为什么有些地方 比其他地方更亮呢？
杜尔曼：事实上这个黑洞正在旋转。 最终靠近地球的气体运动到了下方， 而远离地球的气体运动到了上方。 正如火车的鸣笛，当它靠近你的时候， 音高会增高， 比起远离地球的气体， 靠近的气体蕴含很多能量， 你可以看到下方更亮一点 是因为下方光线正加速向我们靠近。
安德森：这个黑洞有多大？
杜尔曼：它能容下我们整个太阳系。 并且，我想打断你一下， 这个黑暗区域标志了事件视界。 我们之所以无法看到里面的光， 是因为这里面朝地球靠近的光 已经被事件视界吞噬了。 这就是黑洞。
安德森：所以，当我们 谈起黑洞的时候， 你想说的是它向外发射的射线， 它们朝我们而来。 为什么我们看不见他们呢？
杜尔曼：这是一个强有力的黑洞。 虽然不是公认的，但它依然非常强大， 在这个黑洞的北极和南极， 我们认为射线正从这两段过来。 我们距离太近， 所以无法看到这些射线的结构， 但这些射线能够展示时空的样子， 同时也能展现在黑洞周围 空间扭曲的状况。
安德森：如果某天你在一架太空飞船上， 正在绕这这个东西飞行， 绕场一周需要多久呢？
杜尔曼：首先，我愿意付出一切代价 登上那艘太空飞船。
（笑声）
帮我抢一个位置。 让我想一下，有一个东西叫做 最内侧稳定圆形轨道， 这是轨道最内侧，物质在 这个轨道上绕着黑洞运行， 之后它们会旋转入黑洞。 对于这个黑洞而言， 这个过程大约会持续三天到一个月。
安德森：它的力量这么强大， 我甚至觉得这个过程有点慢。 我的意思是，如果你在场， 你甚至不会注意到 自己进入这个事件视界。
杜尔曼：你可能听说过 一个词叫“面条化”， 当你掉入一个黑洞的时候， 你的脚所受的引力场 远大于你的头所受的引力场， 所以你就会被拉扯破碎。 这个黑洞太大了， 你甚至来不及变成意大利面那么长。 你会直接掉入那个事件视界。
安德森：这就像一个巨大的龙卷风。 当桃乐丝被卷入龙卷风的时候， 她最后到了奥兹国。 如果你掉入黑洞，最后你会到哪儿？
（笑声）
杜尔曼：温哥华。
（笑声）
安德森：天呐。
（掌声）
这个红色的圈太吓人了。 你在开玩笑。
杜尔曼：黑洞可谓是 我们这个时代的中心之谜。 因为它是量子世界与引力世界的交合点。 黑洞的中心是一个奇点。 在这里所有的力都会趋于统一， 因为引力是如此之大， 其他力无法与之抗衡。 但它隐藏了起来， 宇宙用终极隐形斗篷把它遮掩了起来。 所以我们不知道在那里面 究竟发生了什么。
安德森：所以在我们的星系中 有一个较小的黑洞。 可以回到我们自己美丽的星系吗？ 这是银河，是我们的家。 而在银河的某个地方， 存在着另外一个黑洞， 你正在努力把它找出来。
杜尔曼：我们已经发现了它的存在， 也已经采集到了它的数据。 我们现在就在研究这些数据， 希望在将来能够研究出结果， 虽然我不敢对时间打包票。
安德森：这个黑洞距离较近，但体积较小， 也许和我们现在看到的这个差不多大？
杜尔曼：是的。事实证明 M87星系中的黑洞， 就是我们之前看到的那个， 重达65亿太阳的质量。 但由于它距离太远了，所以看起来很小。 我们星系里的这个黑洞比它小一千倍， 但也比它近一千倍。 所以它们两个在空中 看起来差不多大小。
安德森：最后，我猜， 我们要认识一下一群了不起的人。 他们是谁？
杜尔曼：这些仅是我们小组的部分成员。 我们惊叹于这张照片所引起的反响。 如果在过去你告诉我 这张照片会占据所有报纸的头条， 我觉得我可能不会相信你， 但事实就是如此。 因为这是一项非常重大的谜题， 它激励着我们，我希望 它也能激励其他所有人。 但更重要的是，这只是 我们团队的一小部分人。 我们一共有200人，分别来自60个机构、 20个国家和地区。 如果你想建造一个国际望远镜， 你就需要一个国际团队。 我们用来连接全球望远镜的这项技术 轻松地帮助我们回避了 一些可能会导致我们分裂的问题。 作为科学家，我们自然而然地 聚集在了一起，来完成类似的任务。
安德森：哦天呐，这对于 我们所有人都有教育意义。 谢普，非常感谢你所做的一切， 同时感谢你今天来参加这个活动。
杜尔曼：谢谢。
（掌声）
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