黑洞之影（簡體書）

拍攝黑洞聽起來不可能，甚至是自相矛盾的，但天文學家謝普·多爾曼和一個全球科學家聯盟正在實現這個夢想。他們組裝了事件視界望遠鏡系統，這是一個地球大小的虛擬射電天文臺。作者賽斯·弗萊徹花了五年時間跟蹤科學家們的工作，見證了他們的努力、挫折和突破。作者帶我們進行了一次令人難以置信的冒險，我們將了解銀河系的複雜性、人類感知和知識的邊界，以及現實的科學事業是如何運作的。

《黑洞之影》講述了一群科學家歷經數十載，拍攝了第一張黑洞照片，對愛因斯坦的相對論進行了終極檢驗的冒險故事，並幫助回答了關於空間、時間、宇宙起源和實在本質最深層次的問題。

作者介紹

賽斯·弗萊徹（Seth Fletcher），《科學美國人》的首席特寫編輯，《超級電池、電動汽車和新鋰經濟》的作者。他與妻子和女兒住在紐約下哈德遜河谷。

譯者介紹

趙雪杉，中國科學院國家天文臺博士，研究方向為黑洞吸積盤和高能天體物理。

馮葉，中國科學院國家天文臺博士，研究方向為黑洞基礎物理。

茍利軍，中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學天文學教授，《中國國家天文》雜志執行總編。美國賓夕法尼亞州州立大學博士，哈佛大學哈佛史密森天體物理中心任博士後和研究人員。

與《黑洞之旅》相比，本書的故事主角是哈佛大學天文學家、事件視界望遠鏡（EHT）發起者和領導者謝普·多爾曼，他受孩童時觀測日食的影響，立志當一名天文學家，把給黑洞拍照當成自己的畢生事業。與任正非同登《時代》雜志2019百大影響力人物榜。《黑洞之旅》的作者是“黑洞照相”的負責人德國物理學家海諾·法爾克，帶著巨資後期加入EHT,也是本書主角的合作與競爭對手。兩本書從不同的視角追溯人類第一張黑洞照片的誕生，可以發現更多的故事，誰將會被寫入諾貝爾獎名單？讓我們拭目以待。

如何完成拍攝黑洞這一難以想象的任務？

謝普·多爾曼通過技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創新的算法等，打開了一個關於黑洞和事件視界的全新窗口。

EHT的觀測目標主要為位於南半天球、銀河系中央的特大質量黑洞人馬座A*以及位於北天球的橢圓星系M87星系中央的超大質量黑洞。它的目的是檢驗愛因斯坦的廣義相對論、直接探測視界是否存在，追蹤黑洞吸積盤和黑洞噴流，使得黑洞不再存在於計算、模擬以及人們的想象中。

EHT以甚長基線干涉技術（VLBI）結合分布在世界多地的十余個射電望遠鏡聯合觀測同一目標源並記錄下數據，形成口徑等效於地球直徑的虛擬望遠鏡，成為60多所來自20個國家的大學研究所、天文臺近200名天文學家參與的國際合作組織。未來計劃將望遠鏡升至太空，直接拍攝黑洞紀錄片。EHT獲2020年基礎物理學突破獎。

本書記錄了天文學家數十載追尋黑洞身影的艱辛故事，不僅有安裝同步原子鐘的驚險細節場面，還有觀測者如何在觀測之夜祈禱好天氣的喜怒哀樂，讀者既可感嘆有志者事竟成也可看到現實科學事業中名利的紛爭。

本書是《紐約時報》編輯推薦圖書。本書主角謝普·多爾曼TED演講深受歡迎。

目錄

首字母縮略詞和縮寫詞1

出場人物表6

面紗與陰影1

第一章2

第二章5

第三章14

第四章26

第五章42

第六章54

第七章64

第八章80

那裡的怪物87

第九章88

第十章99

第十一章109

第十二章120

第十三章126

第十四章139

黑洞火墻143

第十五章144

第十六章152第四部分

第十七章159

第十八章168

第十九章179

第二十章190

第二十一章211

地球大小的望遠鏡221

第二十二章222

第二十三章227

第二十四章237

第二十五章243

後記258

致謝264

注釋268

術語表282

正如他之前的描述，謝普和越來越多的同行腦海中浮現的願景是建造“人類歷史上最大的望遠鏡”。它將是一個分散的巴別塔（Babel），分布在世界各地多達十幾處高地上，東起歐洲，西至夏 威夷，最後，從北部的格陵蘭島一直延伸到南極。它將是所有天文儀器中分辨率最高的那一個。它將滿足所有最關鍵的要求：它將能分辨月球上的一個甜甜圈，或者，如果你願意，可以分辨銀河系中心黑洞的陰影。

天文學家們有時會以一個天文目標的“視角”來談論望遠鏡，如果人馬座A*擁有感知能力並回望地球，它會看到架設在山上由不同銀色天線組成的一條傳送帶，好像一個零散地點綴著鏡子的迪斯科球日夜旋轉。首先出場的是位於西班牙內華達山脈和法國南部阿爾卑斯山脈的儀器。幾個小時後，墨西哥的一個巨型銀色天線和高海拔智利沙漠中的一組天線將會經過。接下來出現的是位於亞利桑那州和加利福尼亞州的儀器。幾個小時後，輪到夏威夷登場。人馬座A*整晚都凝視著南極點望遠鏡。當地球轉動時，這些望遠鏡將從多個角度觀測它們的目標，積累不同視角的數據，填充一個抽象的數學平面，隨後將被超級計算機轉換成圖像。如果一切進展順利，其中的一張圖片將會加入經典宇宙圖像的“萬神殿”。

當2008年，謝普在菲利普斯禮堂的演講結束後，保羅·何找到了謝普，但謝普守口如瓶。當然，他考慮過對人馬座A*“成像”，在談話、論文和提案中，他很樂意用戰略性的聲勢來提出宏大的主張。但是當一對一交談時，他會感到有點難為情，害怕厄運降臨。基本上，地球上的每一個毫米波射電望遠鏡都必須以足夠高的分辨率收集足夠的光，才能製作出黑洞陰影的真實圖像?如果這就是人馬座A*所隱藏的東西。當時還沒有關於建造地球大小的望遠鏡陣列的流程說明，這些望遠鏡還是由一些國際財團建設和控制，他們有各自的優先事項和日程。即使他能把所有的望遠鏡放在一起，大自然也可能會比任何人想象的更擅於隱藏它的秘密。但是謝普沒有辦法抵擋對拍攝黑洞陰影的向往。謝普與他的合作者一起，將第一次的成功觀測轉化為更多的望遠鏡時間。每一次他們外出，都會增加一些新的觀測能力，實現一些新的目標，然後他們把這些寫進來年的望遠鏡時間和基金申請提案中。

2008年，他們同樣採用了夏威夷―亞利桑那―加利福尼亞的三角陣容，這一次他們在三個基在線都得到了探測。一年後，亞毫米波陣列的八個嶄新、超光滑的六米天線加入了進來，將被用於觀測M87。M87又名梅西耶87或室女座A，是一個超巨橢圓星系，距離地球5300萬光年，包含一個巨大的中心黑洞。它太過龐大，因此盡管距離遙遠，它的陰影也應該可以被觀測到。

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以大科學的標準來看，事件視界望遠鏡成本低廉。總而言之，謝普需要籌集大約2000萬美元，而投資回報率可能相當可觀。一張黑洞的圖片和在追尋它的過程中伴隨的觀測可能會幫助解答一長串難題。這個實驗可以揭示廣義相對論是否適用於從未被測試過的極端環境。它可以確定羅伊·克爾旋轉黑洞的度規是否描述了真實物理的物件。它可以顯示視界面是否真的存在。它可以測試無毛定理（可以通過質量、角動量、電荷三個量來描述一個黑

洞）與宇宙監督假設（奇點，也就是存在於黑洞中心的時空結，永遠不會“裸露”，它們總是隱藏在視界內）。如果陰影出現了，宇宙監督假設就是成立的。如果沒有出現，那麼人馬座A*可能就是一個裸奇點?不可理解之處顯現並暴露在宇宙之中。當然，這個實驗可能只會產生一個標志性的天文圖像。這一點的重要性不容忽視。正如艾弗裡·布羅德裡克所說，黑洞的第一張照片可能和“暗淡藍點”（Pale Blue Dot）一樣重要。“暗淡藍點”是太空探測器“旅行者”號從土星環上拍攝的一張地球照片，從土星環上看去，我們的星球是遼闊真空中的一個微不足道的斑點。艾弗裡想，他們的照片會傳達出一個截然不同的信息：它會告訴我們，那裡存在著一個怪物。

但2000萬美元仍然是一筆巨款，尤其是當你沒有錢的時候。謝普一直依賴於國家科學基金會（簡稱NSF）的資助，但政府的資金越來越緊張。世界尚未從始於2008年的金融危機的衰退中復蘇。美國呼聲最大的那群人仍然憤怒於政府花費數千億美元救助銀行的行為。並且那年是選舉年。這些條件將本已競爭激烈的籌資環境變成了一場饑餓遊戲。為了獲得NSF的資金，一個項目不僅要令人印象深刻、意義重大並廣受稱讚，而且它和它背後的人需要提供近乎完美的以往記錄。這就是他們那晚在莫納克亞山所面臨的壓力。

宣傳是籌資遊戲的一部分，而謝普是一個很好的推銷員。在2008年《自然》雜志的論文發表後，謝普開始收到一連串的媒體申請。其中一些媒體的請求高調到令人生畏，並且間歇地讓他在鏡頭前感到不適。有一次，他參加英國廣播公司（BBC）的一個紀錄片的拍攝，在攝制小組的燈光下，他打著手勢，帶著訓練有素的熱情告訴一位采訪主持人，如果他們給人馬座A*的陰影拍張照片，“那將是很值錢的拍照（money shot）。”