Sheperd Doeleman花了将近十年的时间才完成了不可能的任务。作为事件视界望远镜（EHT）项目的负责人，该项目涉及数百名研究人员的国际合作，他花了数年时间在全球各地运送满载硬盘的行李箱，以协调横跨南极洲在内的四大洲的射电望远镜之间的观测。2019年4月9日，该合作项目终于公布了他们的劳动成果，全世界得以一睹首张黑洞图像。
这项开创性的黑洞理论家James Bardeen在1973年曾称之为不可能完成的任务的壮举，代表了天文学技术的巨大成就。但是，在数据处理完成、香槟开瓶之后，EHT合作项目在某种意义上就像是追到车却不知道该如何处理的狗。“他们这么快就拍出了如此好的照片，让所有人都感到惊讶，”哈佛大学理论物理学家Andrew Strominger说道。“Sheperd和Michael（[哈佛-史密森尼天体物理学家兼EHT协调员] Michael Johnson）问我，‘我们该怎么办？我们已经拍了照片，接下来呢？’”
现在，Strominger以及包括理论物理学家、实验物理学家和一位哲学家在内的跨学科研究小组带来了一个大胆的答案，该答案上周发表在《科学进展》杂志上。通过足够远的望远镜，EHT合作项目可以分辨出从黑洞周围辐射出的光线的多次反射。通过分析这些混乱光线中的精确模式，天文学家可以直接测量黑洞的基本性质，并前所未有地测试爱因斯坦的引力理论。基本上，他们希望黑洞能变得更像恒星和行星：不仅仅是供人思考的对象，而是可以直接观测的对象。
“对我来说，这些物体一直只是方程，我只能在脑海中进行数学上的可视化，”参与该研究的哈佛大学理论物理学家Alex Lupsasca说道。“但现在我们正在获得它们的真实照片。”
该团队利用爱因斯坦的广义相对论和前所未有的高分辨率模拟进行了纸笔计算，以分析黑洞对光线的影响。剧透一下：这很奇怪。“黑洞，它们在所做的一切事情上都近乎完美，”Lupsasca说道。这包括将光线弯曲成环。
作为物理定律允许的最致密的物体，黑洞拥有巨大的宇宙引力，物理学家们早就知道这些深渊会披上光的外衣。地球可能会吸引一颗飞过的太空岩石——让它绕几圈然后逃逸——而黑洞却能捕捉实际的光子。任何坠入黑洞的东西都会永远被困在里面，但近距离掠过边界的光子却可以在黑洞周围绕几圈。“这就是时空扭曲在你面前的真实写照，”Lupsasca说道。
Strominger、Lupsasca及其同事精确计算的是光壳层的特定结构，以及从地球上看它会是什么样子。
工作原理如下：当光线接近黑洞时，其强大的引力会将它们拉入轨道。以特定距离掠过的光线在逃逸到太空之前，会在黑洞周围绕半圈。稍微近一点的光线可能会绕一整圈然后返回原处。更近一点的光线可能会绕一圈半，其他的绕两圈，以此类推。这些无限数量的光线组都可以形成一个图像（如果它们击中相机或眼睛），因此黑洞可以产生无限数量的此类图像。Strominger将这种迷幻的效果比作站在两面百货商店的镜子之间，看到自己延伸至远方的无限镜像。
“在一个完美的世界里，拥有一个完美的望远镜，你看着黑洞，看到的不仅是你自己无限的嵌套图像，还有整个宇宙的，”他说道。
但EHT像所有望远镜一样，并不完美。它也不是严格意义上的望远镜，而是一个干涉仪。干涉仪通过比较两个不同位置对远方目标的观测来实现工作。这两个位置相距越远，它们能分辨出的目标特征就越精细。由于黑洞的连续反射（对观察者来说会呈现为环状）会越来越细，天文学家需要利用更遥远的观测台来看到它们。不幸的是，EHT在夏威夷、智利、西班牙和南极洲设有设施，已经没有更多的空间了。“他们为了看到第一张图像，已经用尽了整个地球，”Strominger说道。
为了探测反射环，EHT将不得不走得更远。最终，研究作者们得出结论，该合作项目应该在其网络中增加一个太空观测站。一个就足够了。绕地球运行的卫星可以清晰地看到第一个环，或者绕月球运行的硬件可以看到第二个环。如果他们能将航天器送往地球和太阳之间被称为第二拉格朗日点的区域（这是即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的目的地），他们就能分辨出前三个环。这样的任务可能花费数亿美元——虽然昂贵，但与最大的科学项目相比，价格相差甚远。“这是总有一天会有人做到的事情，”Lupsasca说道。“这只是时间问题。”
有了这笔资金，天体物理学家们将能获得丰富的黑洞知识。对这些环的观测将立即成为在引力足够强以至于可以将光线弯曲成完整环状的环境下，广义相对论的首次检验。环变窄的方式非常精确，因此任何偏差都将表明存在一些奇怪的事情。“没有回旋的余地，”Lupsasca说道。“你出去进行测量，结果要么与理论相符，要么不符。”
很少有理论家预期爱因斯坦最成功的理论会失效。相反，他们更兴奋于这些环能揭示出足够近以至能被这样成像的两个黑洞的奥秘。天文学家有几种方法可以测量黑洞的基本性质，例如其质量和自旋，但他们必须做出很多假设才能做到。环的模式仅取决于黑洞本身——与周围发光的等离子体和碎片无关——因此此类观测可以为物理学家提供一种更清晰的方式来回答他们关于这些神秘物体最基本的问题。
而这项分析仅仅是开始。该工作于去年夏天发布（在同行评审之前），引发了一系列后续研究，物理学家们竞相充实该理论。“这强调了还有很多我们尚未探索的精彩细节，也让我们对可能的新信号感到兴奋，”分析了不同环之间光线类型交替变化的哈佛大学研究生Elizabeth Himwich说道。
Lupsasca将未来的工作比作生物学的早期阶段。“在你想要了解如何测序DNA并使用CRISPR复制和编辑DNA之前，你首先要走进森林说，‘那是一棵树，那是一朵花’，”他说道。“这就是我们目前在黑洞物理学作为一门实验科学的阶段。”
