来自虚空的信号

即使没有望远镜，从莫纳克亚山顶上望去，也能看到 14,000 英尺以下、数十英里远处广阔的雨林与白浪翻滚的太平洋相接。在那里，人们正在做着人们来夏威夷要做的事情：徒步前往瀑布，躺在沙滩上，让皮肤暴露在热带太阳辐射下。而这里，没有植被，没有温暖，大气也非常稀薄。当太阳落山时，亚毫米波阵列天文台的铝制抛物面天线上，是时候开始工作了。

负责今晚实验的麻省理工学院研究员谢泼德·多尔曼现年 45 岁，他正在安装射电望远镜的一部分。如果一切顺利，这台望远镜将与加利福尼亚州和亚利桑那州的其他射电望远镜同步，观测即将消失在黑洞中的物质。多尔曼和大陆的同行们正在使用一种名为甚长基线干涉测量法的技术来模拟一台更大的仪器，他们称之为事件视界望远镜。基线越长，分辨率越高，因此这些天文学家在过去十年左右的时间里一直将他们精密而昂贵的手工制造设备运送到世界各地的偏远地区，每次观测都要重新安装。这项工作高度即兴，但要想看到他们想看到的东西，别无他法。

在亚毫米波阵列控制室的窗户外，山顶上布满了片片积雪。几天前，暴风雪将积雪带到了这里，如今已向东移动了 2500 英里，阻挡了加州空间站的所有观测，从而推迟了整个观测过程。今晚情况有所好转。或者至少开始好转了。“看起来我们确实记录到了一些东西，”Doeleman 说。“这很好。”

“Mark 5B 正在记录，”台湾中央研究院天文与天体物理研究所的博士后研究员 Nicolas Pradel 说道。Mark 5B 记录仪与隔壁的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜相连，该望远镜为今晚的观测贡献了 15 米天线。“Mark 5C”——最新、带宽最高的记录仪，以及与亚毫米波阵列相连的记录仪——“没有记录”。

多尔曼身材瘦小，体格健壮，他飞奔出房间，跑到楼下，那里安装了记录仪。几分钟后，他又冲回控制室，在稀薄的山间空气中气喘吁吁。他坐回电脑前，敲了几下键盘，嘟囔了几句技术性的话，安慰博士后和望远镜操作员。记录仪似乎在正常工作。

黑洞会投射阴影。我们的目标是捕捉阴影的图像。三个阵列只是一个开始。Doeleman 和他的同事从 2007 年开始操作同一个射电望远镜网络，当时他们将阵列指向银河系中心并探测到“事件视界尺度的结构”，这是一个被深深遮蔽的太空光点，其尺寸与预测的射手座 A*（发音为“A-star”）的大小相匹配，射手座 A* 是银河系中心的 400 万太阳质量黑洞。此后，在同事的鼓励下，Doeleman 决定深入银河系中心，深入到足以真正拍摄射手座 A* 边缘的照片，这并不像听起来那么难以置信。探测器的灵敏度每年都在提高；数据存储和处理能力从未如此便宜。如果他能在他的网络中添加合适的望远镜，拍摄人马座 A* 的照片应该是如 Doeleman 所说的“极其可行的”。

Doeleman 表示，未来几年，他和他的团队将整合多达十几台世界上最先进的射电天文学设备，打造“人类历史上最大的望远镜”——一个地球大小的虚拟碟形天线，分辨率是哈勃太空望远镜的 2,000 倍。今晚，事件视界望远镜天文学家的目标更为有限：他们希望捕捉到尽可能多的人马座 A* 发出的光线，并研究其偏振以了解黑洞的磁场。但最终（如果一切顺利），天文学家使用完全放大的事件视界望远镜——一台分辨率足够高的机器，可以从 3,000 英里外读取 25 美分硬币上的日期——将看到一个本身无法看见的物体的轮廓。

1915 年，爱因斯坦发表了广义相对论后，物理学家们立即开始试图弄清他的方程式如何描述宇宙的实际运行。其中一位是德国天体物理学家、现役军人卡尔·史瓦西。第一次世界大战期间，他在战壕里工作，找到了一种方法来计算一颗高度理想化、完美球形恒星周围的时空曲率。他将方程式邮寄给了爱因斯坦，爱因斯坦在 1916 年 1 月柏林的一次会议上代替史瓦西介绍了这些方程式。四个月后，史瓦西在东线因病去世。

爱因斯坦对史瓦西的数学印象深刻，但他否定了史瓦西的一个预测——密度足够大的恒星会在自身引力的作用下坍缩成一个无限小、密度无限大的点。爱因斯坦坚持认为，史瓦西忽略的某种自然力量会阻止这种内爆。当时最杰出的物理学家都同意爱因斯坦的观点。黑洞，也就是我们现在所说的黑洞，违背了关于宇宙应该如何运作的许多直觉观念，以至于它们遭到了加州理工学院理论家基普·索恩所说的“广泛且几乎普遍的 20 世纪抵制”。

然而在随后的几十年里，物理学家们越来越相信史瓦西是对的。1939 年，后来领导曼哈顿计划的物理学家罗伯特·奥本海默在史瓦西的工作（加上另外 20 年对广义相对论的研究）的基础上，提出了迄今为止最具说服力的论据，即某些恒星在耗尽核燃料后会在自身引力的作用下坍缩。20 世纪 50 年代，美国和苏联物理学家利用编码的模拟氢弹爆炸的计算机模型，独立提出了迄今为止最复杂的数学论据，即当足够大的恒星死亡时，内爆是不可避免的。

20 世纪 60 年代，天文学家开始发现经验证据（无论多么间接），证明黑洞不仅仅是数学构造，而是真实存在的。例如，只有巨大的黑洞才能为类星体提供能量——类星体是光点，其中一些位于可观测宇宙的边缘，其亮度相当于数百个星系。20 世纪 90 年代，天文学家发现星系中心附近的恒星以每小时数百万英里的速度运行。只有当这些恒星围绕黑洞运行时，这样的速度才有意义。

如今大多数物理学家都接受黑洞的存在。黑洞是宇宙空间中引力无限强大、物质密度无限大、时间冻结、光被困住的区域。黑洞主要有两种：恒星质量黑洞（恒星坍缩后残留）和超大质量黑洞（科学家现在称其位于所有星系的核心）。每个黑洞的中心都有一个奇点，我们对物理定律的理解在该点上失效。每个黑洞的边缘都有一个边界，称为事件视界，它将黑洞与宇宙的其他部分分隔开来。正如 Doeleman 所说，事件视界是“时空中的单向膜”，通向“与我们现在所在位置有因果关系的某个地方”。它是宇宙的一扇出口门，具有严格的再入政策：穿过的东西永远无法回来。

没有人见过事件视界，但它们应该是可见的。理论家预测，黑洞事件视界周围的时间和空间的极端扭曲应该会形成一个明显的阴影，一个漆黑的圆圈，周围环绕着一圈炽热的光环。事件视界望远镜的最终目标是捕捉到这个阴影的图像。

该项目的成功将使人们有可能看到广义相对论如何在黑洞边缘（宇宙中最极端的环境）中站得住脚。它还将提供黑洞存在的明确证据——这通常被认为是理所当然的，但尚未得到证实。“现在我们可以提出这个问题了，”滑铁卢大学理论家、EHT 合作者 Avery Broderick 说。“这确实会引发讨论。争论有多少个天使可以在针头上跳舞是没有意义的，除非你能找到一个在针头上跳舞的天使。”

* * *

距离莫纳克亚山 15 万亿英里，人马座 A* 正在向宇宙中旋转辐射。曾经属于尘埃云和恒星的电子和离子以接近光速的速度绕黑洞旋转，每 24 分钟绕黑洞 1.4 亿英里的周长旋转一次，沿途释放出横跨电磁波谱的辐射。26,000 年前逃离人马座 A* 的一小部分辐射今晚将抵达地球。这些辐射中甚至更小的一部分将落在莫纳克亚山顶，其中一些撞击了山上的射电望远镜天线的收集盘。

如果一切正常，收集天线会将到达的无线电波汇聚到氦冷却接收器中，接收器会通过地下光纤电缆将其传送到控制室。信号将由氢原子钟放大、数字化和打上时间戳，氢原子钟是一台空调大小的原子钟，价值 30 万美元，每 1000 万年只会差一秒。接下来，信号将被记录在 8TB 的硬盘包中，天文学家随后会通过联邦快递将其送回 EHT 的“镜头”——位于波士顿郊外麻省理工学院海斯塔克天文台的一台超级计算机驱动的相关器。

在海斯塔克，一名技术人员将从参与观测的所有三个站点——夏威夷的亚毫米波阵列和詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜、加利福尼亚的毫米波天文学研究联合阵列 (CARMA) 和亚利桑那州的亚毫米波望远镜 (SMTO)——获取数据包，并尝试从噪声中分离出信号。尽管被冷却到绝对零度以上四度，望远镜接收器仍然会产生稳定的噪声，其强度是来自宇宙的信号的 10 万倍。“噪声之上还有一点信号，除了时间差和频率偏移外，各个站点的信号都是一样的，”负责 EHT 亚毫米波阵列仪器的天文学家兼电气工程师 Jonathan Weintroub 解释说。“各个站点相同的信号都是来自源的信号。”

为了获得最大的清晰度，所有这些设备在每个站点都必须正常工作。至少在亚毫米波阵列，一切似乎都运行正常。晚上 7 点刚过，软件经过交叉检查，天线已启动，记录器终于开始工作，12 小时的观测序列开始了。Doeleman 传递了一个装满 Trader Joe's 零食的行李袋。（“你必须尝尝任务无花果！”）我坐在 Ryan Howie 旁边，他是一位 20 多岁的望远镜操作员，自 2007 年该小组首次观测以来一直在亚毫米波阵列工作，我问他今晚的预热是否异常混乱。一点也不，他说。“实际上，事情比前几次运行要顺利得多。”

今晚的天气完美无瑕。用射电天文学家的话来说，τ 值为 0.028。τ 是天文学家用来测量大气水蒸气遮蔽效应的方程式中的核心变量。即使在这座因 τ 值异常温和而入选的山上，一年也只有 10 到 15 个晴朗的夜晚。Doeleman 说，这样的天气“就像身处太空”。

其他地点的条件远非理想。CARMA 的 tau 值高得令人不安。SMTO 的 tau 值极佳，但到目前为止，空中的冰晶阻止了望远镜操作员打开圆顶并将卫星天线暴露在空气中。不过，这些地点的天气还过得去。过去三天，加利福尼亚州和亚利桑那州的暴风雪迫使 Doeleman 和工作人员将他们的望远镜时间让给其他天文学家，而他们的夜晚则在海拔 5,000 英尺以下的 Hale Pohaku 度过，这是天文学家睡觉、吃饭和准备观测的宿舍。

今晚是事件视界望远镜今年倒数第二次观测机会。望远镜观测时间是一种稀缺资源；各天文台的时间分配委员会为 Doeleman 和他的团队提供了三个晚上的观测时间。为了增加三个观测点都获得好天气的概率，他们可以在八个晚上的时间窗口中任意挑选三个晚上。理论上，他们可以每年观测多次，但这需要更多的资金、更多的旅行和更多的后勤工作。理论上，他们也可以获得更长的观测时间窗口（他们过去也这样做过），但这需要每个人在这座山上待更长时间，等待天体对齐。

事件视界望远镜可能提供黑洞确实存在的第一个明确证据。每天中午左右，Doeleman 会获得三个站点的天气预报，并做出当晚的决定：去还是不去？“这让 Shep 抓狂，”Weintroub 说。他们正在想办法让这个决定不那么痛苦。一个关键步骤是永久安装 EHT 的定制数字设备，以便在所有站点天气良好时，他们可以在短时间内远程启动观测。这主要是为了确保控制望远镜的委员会的合作，并筹集安装设备的资金。更好的天气预报也会有所帮助。在莫纳克亚山，获得准确的天气信息不是问题。由于这座山上有 11 个天文台，其中许多是同类仪器中最强大的，因此莫纳克亚山拥有自己专用的气象站。 SMTO 和 CARMA 等小型天文台的情况并非如此，这让 Doeleman 很难知道何时进行观测。

午夜时分，亚毫米波阵列的天线对准了附近星系 M87 中心的黑洞，该星系比人马座 A* 早升起四个小时。Doeleman 拿起座机（禁止使用手机，因为它们会干扰仪器）并打电话给亚利桑那州的望远镜操作员，询问他们何时会打开圆顶。几秒钟后，他挂断了电话。“是的！”他说。“SMTO 正在打开圆顶，大约 30 分钟后就可以开始观测了。”

“正好赶上对 M87 进行两次扫描，”负责监测亚毫米阵列天线的 25 岁麻省理工学院毕业生 Rurik Primiani 说道。

好消息让 Doeleman 变得健谈起来。他花了一点时间向博士后们讲述了 15 到 20 年前，当他还是一名研究生时，在接触非常费力的甚长基线干涉测量技术时遇到的技术障碍。正是实地考察吸引了 Doeleman 对天文学的兴趣。用他的话来说，他从来都不是那种玩望远镜的孩子。但他是那种认为在南极过冬很有趣的孩子。22 岁时，从家乡俄勒冈州波特兰市的里德学院毕业后，他加入了为期一年的南极探险队，研究宇宙射线。之后，他进入麻省理工学院研究生院学习。他选择专注于甚长基线干涉测量，部分原因是很可能要在偏远地区寒冷干燥的山顶上度过数周时间。

距离 Doeleman 上次与亚利桑那州的电视台通话已经过去了 30 分钟，于是他走到电话机旁，给他们回了电话，只是为了确认穹顶是否打开，电视台是否在线。他沉默了一会儿。“你在撒谎，”他说。“不，你在撒谎。”电话那头的人似乎没有撒谎。

“我弄坏了什么？”温特鲁布在房间的另一边问道。

Doeleman 挂断电话，解释说由于某种原因，SMTO 尚未正常工作。具体细节尚不清楚。但今晚我们已经进行了第 12 次扫描，亚利桑那州的条件非常好——那里的 tau 值已经降至 0.05，这是美国大陆最好的情况了——因此，在控制室里走了几分钟后，Doeleman 回电话询问最新情况。“现在怎么样了？”他问道。“‘发疯’？这是专业术语吗？”博士后们中传来一阵低沉而内疚的窃笑。

谢泼德·多尔曼瘫倒在折叠铝椅上。“如你所见，”他说，“这很难。”两小时后，人马座 A* 将升起。今晚的风险比平时更高：NASA 的钱德拉卫星将加入进来，观察人马座 A* 的 X 射线耀斑，结合 EHT 的数据，可以提供有关黑洞每小时变化的信息。这样的发现至少足以在主要期刊上发表一篇论文，当然也足以证明进行这次观测所花费的金钱和人力是合理的。因此，多尔曼尽可能地控制局面。他要求望远镜操作员在半夜给亚利桑那大学的首席教员打电话，让他立即赶到那里。“告诉他，‘谢普威胁我，除非我打电话给你。’”

半小时后，杜尔曼收到一封来自亚利桑那州的电子邮件，大声读道：“他们今晚不可能重新上线。”现在，该小组面临一个决定。现在还为时过早。他们可以把今晚剩下的时间让给其他天文学家。或者他们可以继续使用双站阵列。他们权衡了各种选择。

温特鲁布转身离开笔记本电脑，对多尔曼说：“今晚钱德拉的卫星信号覆盖了。”多尔曼点点头。卫星信号覆盖可不是可以浪费的东西。过了一会儿，多尔曼说：“如果钱德拉探测到耀斑，我们可以做一些非常有趣的科学研究。”

毕竟，他们在这里。加州的观测站正在观测。他们已经没有时间了。所以观测仍在继续，第一次扫描人马座 A* 的时间定在凌晨 2:05。做出决定后，Doeleman 瘫倒在折叠铝椅上，对我说：“正如你所见，这很难。”

即使在地球上最晴朗的天空下最晴朗的夜晚，银河系中心及其周围密集的星团也几乎无法被人眼看到。可见光无法穿过阻塞银河系发光中心球体的尘埃和等离子体云。但无线电波可以。1932 年，贝尔电话实验室的物理学家卡尔·詹斯基注意到，每当银河平面升到地平线以上时，天空就会爆发出大量无线电信号，人们才知道这一点。从那时起，射电天文学家已经发现了几种使银河系中心越来越清晰的方法。

第一种也是最重要的方法与事件视界望远镜今天使用的方法相同——连接多个地理位置相距遥远的射电望远镜以形成干涉仪，将不同望远镜收集的波叠加在一起，产生新的、更强大的波。20 世纪 60 年代初，西弗吉尼亚州格林班克的国家射电天文台一建成，天文学家就开始将其双站干涉仪对准银河系中心。然后在 1966 年，通过观察相对低频的无线电波，那里的天文学家发现了我们现在所知的人马座 A* 的第一个迹象。分辨率太低，无法产生明确的观测结果，但八年后，格林班克天文学家使用能够捕捉高频波的升级干涉仪，证明了星系中心存在某种极其密集和明亮的东西。某种东西像陀螺仪一样坐在核心处，悬停在原地，而银河系的其余部分则围绕着它旋转。八年后，一位天文学家将该物体命名为射手座 A*，从地球上看，它位于射手座。

从那时起，越来越灵敏的探测器和更强大的计算机使射电天文学家能够以更高的频率进行观测，并以更高的清晰度深入星系中心。高频辐射由更短的波长组成，可提供更精细的分辨率。更重要的是，来自星系中心最极端环境（事件视界的最边缘）的辐射往往频率非常高。当波长超过两毫米时，观察星系中心“就像透过浴室里的磨砂玻璃看东西”，Doeleman 说。当波长为一毫米及以下时，磨砂玻璃“神奇地变得清晰”。

为了捕捉这些 1 毫米波，天文学家必须长途跋涉。大气中的水蒸气会阻挡 1 毫米波，这就是为什么高频射电望远镜建在大气稀薄且干燥到足以让 1 毫米光进入的地方。高海拔干燥的地方，如莫纳克亚山。智利阿塔卡马沙漠（世界上最干旱的沙漠）海拔 17,000 英尺的高原，阿塔卡马大型毫米波阵列正在那里建设中。

望远镜应该能看到一个被光晕包围的黑暗圆盘。ALMA 即将成为世界上最强大的射电望远镜阵列，预计将于 2015 年加入事件视界望远镜阵列。一旦加入，它将成为 Doeleman 的行星阵列中的关键站点。有了 ALMA，EHT 需要增加两个甚至三个关键望远镜，才能达到观测人马座 A* 事件视界所需的数据收集能力。EHT 团队还需要在每个站点安装他们最先进的设备，包括目前正在 Haystack 开发的新型记录器，其数据记录速度将是他们目前使用的记录器的八倍。但一旦完成，他们的虚拟望远镜应该能够收集足够的数据来生成图像。

和所有射电望远镜拍摄的图像一样，这幅图像将是一小片天空的编码地图——人马座 A* 附近的地图，其中每个像素的亮度代表来自该小片空间的辐射强度。可能需要一个完美的夜晚才能获得它；也可能需要几个非常好的夜晚的综合数据。但在观察结束后，就会有一幅图像。

理论家们已经使用超级计算机预测了这幅图应该是什么样子。如果黑洞平静，望远镜应该能看到一个黑暗的圆盘，周围环绕着一个发光的光环，就像日食一样。圆盘的一侧可能包含一个大光斑。那是一个热点，是一团围绕事件视界旋转的吸积物质云。如果射手座 A* 被发现正在吞噬一些巨大的物质云，黑洞可能看起来像一个火球。

Doeleman 很快强调，EHT 将在人马座 A* 的阴影首次聚焦前后数年收集数据。Doeleman 能添加的望远镜越多，他们能够分辨的细节就越精细。然而，一些理论家认为，从科学角度来看，这幅图几乎无关紧要。“我不认为这一切的最终目的就是产生一幅图像，”Broderick 说。“最终会有一幅图像，但它不会告诉我们更多信息。”从这个角度来看，图像是糖果。从这个角度来看，事件视界望远镜是一个科学项目，旨在几乎偶然地产生一件艺术品。

当地时间凌晨 2:30，事件视界望远镜的三分之二正在记录来自人马座 A* 的传输，人马座 A* 现在低垂在地平线上。普里米亚尼读取了终端上的数据流，打破了沉默：“伙计，人马座 A 星今晚很亮。”

这个消息几乎让人感到痛苦。当然，如果今晚的数据不错，钱德拉望远镜探测到耀斑，那么尽管亚利桑那州的望远镜出现故障，今晚还是会有有趣的发现。明天还有机会。但就目前而言，机组人员似乎把今晚的观察当作了坚持不懈的练习。

Doeleman 靠在办公椅上，闭上眼睛。Weintroub 躺在地板上，很快就睡着了。其他人都继续看着他们的电脑。两个半小时过去了，什么也没发生，而事情实际上应该是这样的。无聊对射电天文学来说是好事。作家理查德·普雷斯顿在其 1987 年出版的《第一道曙光》一书中描述了自己坐在加州帕洛玛山天文台的控制室里，与当代最伟大的一些天文学家一起观看数十个人眼从未见过的星系在观测屏幕上滚动的情景。但在这里，情况不是这样的。现在，EHT 就像一台半成品长曝光相机，它给出的只是线索和希望，而不是实际的照片。

到凌晨 5 点，每个人都醒了，而 Rurik Primiani 仍然坐在控制监视器后面，开始焦躁起来。“你觉得我们现在有足够的数据吗？”他问 Doeleman。“问题是我们是否得到了任何数据，”Doeleman 回答道。“谁知道 CARMA 在做什么。我们很确定我们知道 SMTO 在做什么。”

周围一片寂静。在午夜时分，我被这个时刻所吸引，于是向 Doeleman 提出了一个我之前问过他的问题：为什么是黑洞？“黑洞是宇宙中唯一一个你可以去但不能回来的地方，”他说。“理论上，如果你能建造合适的宇宙飞船，你可以去太阳中心再回来。你可以去中子星的中心。你会觉得，‘哇，这里好稠密啊！’”他一边说，一边挥舞着手臂，模仿哑剧演员努力从中子星盒子里逃出来的样子。“但你可以回来，”他说。“你永远无法从黑洞回来。这太可怕了。这让我毛骨悚然。”

早上 6 点刚过，Doeleman 叫醒博士后并准备关闭机器，而我和 Weintroub 决定去看日出。“那真是太令人沮丧了，”他说，我们沿着铺好的路驶向真正的山顶。所有这些准备工作，夏威夷的完美天气——都因为亚利桑那州望远镜的驱动马达故障而中断。但是，如果 SMTO 小组能修好他们的望远镜，并且三个站点的天气都保持良好，那么明天晚上可能会很好。“一个美好的夜晚让一切都值得，”他说。

* * *

科学家估计，仅银河系就可能包含数百万个黑洞。如此暴力、荒谬、难以理解的东西无处不在，足以刺激我们的生存不安感。黑洞令人毛骨悚然。正如哲学家们几个世纪以来一直提醒我们的那样，它们提醒我们，我们永远看不到世界本身。我们只看到它的影子。

杜尔曼后来告诉我，第二天晚上一切顺利。技术人员修好了 SMTO 故障的发动机。所有地点的天气状况都很好。我们拍摄的星系中心黑洞照片也更加清晰了。

几周后，为了了解事件视界望远镜的成功前景，我打电话给美国国家射电天文台名誉主任、早期搜寻人马座 A* 的参与者弗雷德·罗。他说，杜尔曼和他的团队正在做的事情很难，但并非没有先例。他说，在冷战期间，美国天文学家与苏联同行合作进行了非常长的基线干涉观测。美国科学家会在华盛顿特区停留，校准他们的原子钟，获得安全许可，然后带着原子钟飞往莫斯科。杜尔曼和他的团队有很多问题需要解决，但跨越铁幕并不是其中之一。“这是这个领域一直在做的事情，”罗说。“它会完成的。”

1. 亚毫米波阵列；詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜；加州理工学院亚毫米波天文台，夏威夷莫纳克亚山
2. 用于毫米波天文学研究的组合阵列加利福尼亚州雪松平地
3. 亚毫米望远镜，亚利桑那州格雷厄姆山
4. 阿塔卡马大型毫米波阵列；阿塔卡马亚毫米波；望远镜实验；阿塔卡马探路者实验智利查南托高原
5.墨西哥塞拉内格拉大型毫米望远镜
6. 南极望远镜南极洲南极
7.法国格勒诺布尔Plateau de Bure干涉仪
8.西班牙格拉纳达IRAM 30米望远镜