互动科普

用什么方法可以直接“看见”黑洞？

那么，在我们这个宇宙中究竟是否存在着黑洞呢？如果直接“看见”了黑洞，这个悬案就会自然得到解决。这里我们就来介绍最新研究所设想的一些进行直接观测的方法。

希望能够看到被亮光包围着的黑影——“黑色洞窟”

所谓直接“看见”黑洞，其实就是要看到它究竟是什么样子。

即使真的存在着黑洞，由于光线不可能穿出它周围的事件视界来到我们这里，我们也无法看到它。但是，如在前面介绍的，被认为是黑洞的天体，它的周围有一个由高温气体构成的吸积盘，正在向外发光（电磁波）。因此，如果观测到了被周围吸积盘的亮光包围着的那个“黑色洞窟”，那就是观测到了事件视界的存在，也就是“看见”了黑洞。这个“黑色洞窟”的样子，是可以通过基于广义相对论的正确计算和计算机模拟实验绘制出来的。

通过X射线观测看“黑色洞窟”有很大难度

那么，用什么方法才能够看见“黑色洞窟”呢？黑洞周围的吸积盘，不同地点有不同的温度，发出的是波长各异的不同的光（电磁波）。因此，对于用作观测的光的波长可以有多种选择。

物体发出的光（电磁波），依据波长的不同而具有不同的名称。按照波长从短到长的顺序，分别是γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和射电波（无线电波）。而且，物体发出的光（电磁波）的波长，通常是物体的温度越低，波长越长；温度越高，波长越短。黑洞周围的吸积盘，靠近中心的区域温度非常高，发出的是强X射线。由此看来，用X射线观测应该是最佳选择。

然而，X射线容易被大气吸收，必须到大气层外才能够进行精密观测。况且，开发用于这种观测的太空望远镜需要投入大量的资金。

最现实的方法是用某种射电波进行观测

考虑到各方面的因素，行之有效的方法应该是用射电波进行观测。吸积盘靠近“黑色洞窟”的部分，由于温度之外的其他因素，不仅在发出X射线，也在发出射电波。

使用射电波还有一个好处，那就是便于应用可以提高看清天体细节性能（分辨率）的“干涉仪”技术。所谓干涉仪，是一项将多面射电望远镜结合起来得到只有巨型望远镜才具有的高分辨率。从原理上说，加大连接在一起的那些望远镜之间相隔的距离便能够提高分辨率。不过，这样做并不能提高聚集光线的能力（集光力）。

日本国立天文台的三好真博士是一位用射电望远镜观测那些被怀疑是黑洞的天体的专家。他认为，在射电波中，大概选择其中的“亚毫米波”有可能会最先观测到“黑色洞窟”。亚毫米波，波长只有1毫米的10分之1量级，也就是波长等于0.1〜1毫米的无线电波。

为什么用亚毫米波最有希望观测到“黑色洞窟”呢？星系中心的那些黑洞，质量非常大，“黑色洞窟”自然也比较大，会比较容易观测到。但是，星系的中心区域被云一样的等离子体包围着，而射电波中波长较长的波在穿过等离子体时会发生散射。散射会使“黑色洞窟”的形状变得模糊不清。亚毫米波是射电波中波长比较短的波，受等离子体散射的影响比较小，因而最有希望观测到“黑色洞窟”的真实形状。

需要有人眼视力600万倍以上的“眼睛”

“黑色洞窟”在被看见时显示的大小（视面积），据推测，应该是银河系中心的那个疑似黑洞“人马座A*”最大。尽管如此，从地球看人马座A*的“黑色洞窟”的张角充其量也只是比10微角秒（＝3.6亿分之1°。1角秒＝3600分之1°。单位词头“微”表示100万分之1）稍大一点。这相当于要求有人的600万倍以上的视力才能够加以分辨（人眼能够分辨60分之1°的视力被定义为视力为1.0，这相当于一个人能够在5米的距离辨认出用来检查视力的“兰道环”上开的一个5毫米宽的狭缝）。从现在还在进行的实验看，使用亚毫米波干涉仪多半能够达到10微角秒的分辨力，这刚好能够满足直接看见黑洞所要求的分辨率值。

亚毫米波容易被大气中的水汽吸收，在海拔低的地方难以进行观测。为此，目前正在南美洲安第斯山脉的高地阿塔卡马沙漠建造一面叫做“ALMA”的亚毫米波射电望远镜。如果在围绕ALMA的1000〜2000公里范围选择适当地点也建造数面亚毫米波射电望远镜，使用干涉仪技术的话，多半就能够看见人马座A*的“黑色洞窟”。三好博士说：“大概到2016年纪念广义相对论发表100周年的时候就能够实现直接看见黑洞的观测。”

还有可能将地上和天上结合起来组成为一台射电望远镜干涉仪

干涉仪技术不仅可以用于地面，也可以用于宇宙空间。已经有计划打算将发射到大气层外的太空望远镜和地面望远镜结合起来或者将几面太空望远镜结合起来形成射电干涉仪进行观测。

前一种方法有以日本JAXA（宇宙航空研究开发机构）为中心进行的“VSOP-2”计划。该项计划打算发射射电观测卫星，将它与地面射电望远镜结合起来构成干涉仪。但是在2011年发现原定预算的费用不够用来研制出精度足够高的天线，于是中止了该项计划，准备制定出新的计划以后再启动执行。

后一种方法有NASA（美国航天局）的“MAXIM”计划。打算发射多个X观测装置，将它们结合起来形成干涉仪。从原理上说，这种X射线干涉仪将具有上述亚毫米波干涉仪100倍的分辨率，能够分辨出0.1微角秒的细节。

能够检测到黑洞本身吗

这里再来介绍一种不是利用光进行观测的观测黑洞的方法。这就是通过检测“引力波”的一种观测方法。

引力波类似于在水面上搅动起水波的一种现象。具有非常大质量的像黑洞这样的天体会使周围的时空发生非常大的弯曲。这样的天体作激烈运动引起的时空弯曲应该形成以光速向外传播开来的波，这就是“引力波”。

引力波同声波一样，也有波长和频率。我们知道，吉他发出的声音的高低取决于吉他琴弦的长度和张力。黑洞若产生引力波的话，这种引力波的频率则应该取决于黑洞的质量大小和它的自转速度。如果检测到由黑洞发出的这种特有的引力波，这就等于证实了黑洞的存在。按理说，在两个相距很近的黑洞互相做绕转一类的运动时就有可能检测到这种特有的引力波。

关于黑洞的研究正在天文学和物理学这两个领域积极进行，我们期待着用这里介绍的“眼睛”看见“黑色洞窟”样子的那一天会早日到来。 

（本文发表于《科学世界》2012年第8期）