撰文 | 劉辛味

北京時(shí)間2019年4月10日晚21點(diǎn)，人類(lèi)史上首張黑洞照片面世

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了黑洞相關(guān)的研究，英國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家彭羅斯（Roger Penrose），表彰他對(duì)“發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對(duì)論的有力預(yù)測(cè)”，以及德國(guó)天體物理學(xué)家根澤爾（Reinhard Genzel）和美國(guó)天體物理學(xué)家蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們“發(fā)現(xiàn)銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量致密天體”（大約為400萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞）。宇宙學(xué)再獲殊榮。近年來(lái)，黑洞相關(guān)的研究總出現(xiàn)大新聞，實(shí)在是熱門(mén)中的熱門(mén)。

去年，黑洞這個(gè)神秘的天體終于和大家見(jiàn)面了。“視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“EHT”）團(tuán)隊(duì)，宣布捕捉到了M87星系中心特大質(zhì)量黑洞圖像，終于讓人們一睹黑洞的“芳容”?？茖W(xué)史上的 “突破”其實(shí)十分罕見(jiàn)，必須實(shí)事求是地說(shuō)，首張黑洞照片只是我們認(rèn)識(shí)黑洞的小小一步。

現(xiàn)代天體物理中的黑洞，源自愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的推論，揭示了物理學(xué)中的極限。它是宇宙中最致密的天體，強(qiáng)大的引力讓光都無(wú)法從黑洞視界中逃逸。黑洞也是最能激發(fā)人類(lèi)好奇心和想象力的東西。比如人接近黑洞會(huì)怎么樣？理論告訴我們，他們會(huì)被拉伸、壓縮，經(jīng)歷“面條化”（Spaghtti fication）。

然而在“洗出”照片之前，沒(méi)有哪位天文學(xué)家真正見(jiàn)過(guò)黑洞，我們得到了一些間接的證據(jù)，“聽(tīng)到”了一些聲音，這些聲音是數(shù)十億年前黑洞碰撞產(chǎn)生的時(shí)空的漣漪——引力波。為什么黑洞這么難被發(fā)現(xiàn)，它又如何被確定存在？來(lái)看看科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了什么。

黑洞的藝術(shù)照

我們平時(shí)見(jiàn)到的所謂黑洞的圖片，都是經(jīng)過(guò)藝術(shù)處理的圖片。太空藝術(shù)或天文藝術(shù)，是科學(xué)可視化的展示，在科學(xué)教育和科學(xué)普及方面起到重要作用。當(dāng)然，天文藝術(shù)也不僅如此，它們也是藝術(shù)的一種，有著自己更內(nèi)涵的表達(dá)。

下面這兩張照片能夠清晰的看到宇宙中存在黑洞，不管真實(shí)的黑洞是什么樣，它們代表了我們心中黑洞的模樣。

美麗的黑洞是科學(xué)與藝術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，從圖中可以看出時(shí)空在黑洞附近彎曲了 來(lái)源：NASA

黑洞如何形成

認(rèn)定黑洞的存在經(jīng)過(guò)了科學(xué)史上漫長(zhǎng)而曲折的過(guò)程，從18世紀(jì)提出的“暗星”，到廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程的精確解，又經(jīng)歷對(duì)恒星演化過(guò)程的研究，到了20世紀(jì)90年代，人們才看到了黑洞存在的間接證據(jù)。

目前公認(rèn)的恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞是由大質(zhì)量恒星自身坍縮而形成的。當(dāng)恒星的核燃料耗盡，也就是恒星到達(dá)生命的盡頭時(shí)，它們會(huì)膨脹，失去質(zhì)量，然后冷卻形成白矮星。但是這些熾熱的天體中較大的，比如9到25倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，它們會(huì)隨著一場(chǎng)大爆炸——超新星爆發(fā)而坍縮成中子星。如果質(zhì)量再大一些，25個(gè)以上的太陽(yáng)質(zhì)量，它們會(huì)進(jìn)而演化成黑洞。當(dāng)然，這些數(shù)字也不是絕對(duì)的，通常恒星質(zhì)量級(jí)別的黑洞在10到100個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的區(qū)間。

超新星爆發(fā)會(huì)將恒星的物質(zhì)拋向太空，只留下核心。本來(lái)恒星可以通過(guò)自身的核聚變產(chǎn)生持續(xù)向外的推力，以平衡恒星自身質(zhì)量向內(nèi)的引力。但爆發(fā)后恒星的殘骸不會(huì)再提供推力，但自身巨大的引力還在，就只能向內(nèi)坍縮。當(dāng)它持續(xù)坍縮，半徑收縮到史瓦西半徑時(shí)，黑洞就誕生了?，F(xiàn)在科學(xué)家認(rèn)為銀河系中存在著成千上萬(wàn)個(gè)恒星質(zhì)量級(jí)的黑洞，確認(rèn)了20多個(gè)存在。

當(dāng)然，如果以質(zhì)量劃分，黑洞還有其他幾種類(lèi)型，如超大質(zhì)量黑洞（數(shù)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）和微型黑洞（理論上小于太陽(yáng)質(zhì)量）?？茖W(xué)家還不清楚超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，他們推測(cè)是黑洞吸收了其附近的恒星和氣體云等逐漸長(zhǎng)大而成。對(duì)于微小型黑洞，天文學(xué)家認(rèn)為可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。（關(guān)于黑洞質(zhì)量相關(guān)內(nèi)容詳見(jiàn)《》）

為什么此前看不見(jiàn)黑洞？

看不見(jiàn)黑洞，并不完全因?yàn)樗恰昂凇钡?。在此之前，我們?shí)際上能夠觀察到的黑洞，是視界以外的部分。黑洞的質(zhì)量幾乎都集中于最中心的“奇點(diǎn)”處，但仍有一個(gè)臨界半徑“視界面”，我們能看到視界面外的物質(zhì)。但真正讓我們看不到它的原因是，即使是超大質(zhì)量黑洞，對(duì)我們來(lái)說(shuō)也太小了！按《自然》雜志的說(shuō)法，要一臺(tái)比哈勃強(qiáng)大1000倍的望遠(yuǎn)鏡才能觀測(cè)它。

比如今年諾獎(jiǎng)的成果——EHT團(tuán)隊(duì)觀察銀河系中心的人馬座A*（Sgr A*）的質(zhì)量相當(dāng)于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，它的視界面直徑約為2400萬(wàn)公里，相當(dāng)于17個(gè)太陽(yáng)大小，然而它距離我們有2.5萬(wàn)光年遠(yuǎn)，實(shí)際對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常微小。有很多比喻來(lái)形容這一距離，比如中科院國(guó)家天文臺(tái)茍利軍研究員在科普文章中形容，“就像我們站在地球上觀看一枚放在月球表面的橙子”。

另一方面，由于黑洞的強(qiáng)大引力，它往往被其他明亮的物質(zhì)包圍，這使得我們很難看到黑洞本身。這就是為什么在尋找黑洞時(shí)，天文學(xué)家通常不會(huì)嘗試直接觀測(cè)，他們要尋找黑洞存在的間接證據(jù)，比如黑洞對(duì)其周?chē)祗w的作用和影響。

黑洞周?chē)奈e盤(pán)和噴流，藝術(shù)想象圖丨來(lái)源：JPL

美國(guó)亞利桑亞大學(xué)的天體物理學(xué)家Dimitrios Psaltis說(shuō)，“我們通常測(cè)量恒星和氣體運(yùn)動(dòng)的軌道，這些恒星和氣體似乎圍繞著天空中非常暗的一‘點(diǎn)’旋轉(zhuǎn)，然后我們測(cè)量那個(gè)暗點(diǎn)的質(zhì)量。如果我們沒(méi)能發(fā)現(xiàn)其他天體能像它那樣質(zhì)量如此之大、顏色如此之深，我們就會(huì)認(rèn)為這是黑洞存在的有力證據(jù)?！?/p>

天文學(xué)家還能通過(guò)黑洞周?chē)奈e盤(pán)和發(fā)出的噴流而確定它的存在。當(dāng)物質(zhì)被黑洞吸收時(shí)，會(huì)沿著螺旋狀的軌道靠近黑洞，從而形成一個(gè)圓盤(pán)狀的吸積盤(pán)。在被吸入黑洞的同時(shí)，它們還會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)軸的方向噴出高能粒子，也就是噴流。這些高強(qiáng)度的輻射能被地球上的望遠(yuǎn)鏡捕獲到，從而認(rèn)定黑洞的存在。

黑洞的間接證據(jù)一：X射線

1999年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射了三顆衛(wèi)星，它們組成了錢(qián)德拉塞卡X射線天文臺(tái)（CXO）。這是以著名的美籍印裔物理學(xué)家錢(qián)德拉塞卡命名的望遠(yuǎn)鏡，專(zhuān)門(mén)觀測(cè)不同天體發(fā)出的X射線。對(duì)于黑洞存在的最好證據(jù)就來(lái)自這里。

在黑洞的引力下，吸積盤(pán)內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億度的高溫，從而發(fā)出輻射，這些輻射就包括有X射線。如果黑洞吸收的物質(zhì)過(guò)多，噴流也會(huì)出現(xiàn)爆發(fā)。天文學(xué)家把這一個(gè)過(guò)程形象的稱(chēng)為“打嗝”——就像黑洞進(jìn)食過(guò)程中打了一個(gè)嗝。

錢(qián)德拉塞卡天文臺(tái)記錄了一次著名的打嗝。兩個(gè)距離我們大約2600萬(wàn)光年的星系NGC 5195和渦狀星系NGC 5194，爆發(fā)出了強(qiáng)烈的X射線。這是一對(duì)著名的交互作用星系，天體物理學(xué)家認(rèn)為這次X射線爆發(fā)來(lái)自里面巨大的黑洞。

左側(cè)為哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的光學(xué)成像，右側(cè)為X射線成像 來(lái)源：Chandra.harvard.edu

與它們相似的是Arp 147，也是兩個(gè)交互作用的環(huán)狀星系。這張圖像上的紫紅色斑點(diǎn)是強(qiáng)烈的X射線輻射區(qū)域，被認(rèn)為是當(dāng)兩個(gè)星系（藍(lán)色是螺旋星系，粉紅色環(huán)是橢圓星系）相撞時(shí)形成的黑洞。

這張圖也是錢(qián)德拉塞卡X射線望遠(yuǎn)鏡和哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)合成 來(lái)源：chandra.harvard.edu此圖是X射線拍下的圖片

這是來(lái)自英仙座星系團(tuán)中心區(qū)域的X射線和聲波（經(jīng)過(guò)特殊處理）——黑洞存在的更間接證據(jù)：

圖中的白點(diǎn)是超大質(zhì)量黑洞 來(lái)源：chandra.harvard.edu2013年9月，錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡還看到一個(gè)從銀河系中心黑洞發(fā)出的耀斑，是這里發(fā)出一般X射線強(qiáng)度400倍，持續(xù)了數(shù)個(gè)小時(shí)。

最近的研究顯示，在銀河系中心的大黑洞周?chē)?，還擁有者甚至超過(guò)20000個(gè)較小的黑洞。一組研究人員發(fā)現(xiàn)了銀河系中心三光年范圍內(nèi)存在十幾個(gè)黑洞的證據(jù)。下面也是一個(gè)X射線圖像，他們用藍(lán)色的圓圈來(lái)表示黑洞。

黑洞只有在“吞噬食物”時(shí)才會(huì)釋放強(qiáng)烈的X射線，但“捕捉”它們非常不容易。黑洞一般來(lái)說(shuō)很難偵測(cè)到，即使是像銀河系中心的黑洞，它的吸積盤(pán)也非常暗淡，能記錄一下它的爆發(fā)并不容易。除了X射線，還有一些其他方法能證明它的存在，比如射電波。

黑洞的間接證據(jù)二：噴流，比星系本身還長(zhǎng)

這張來(lái)自哈勃望遠(yuǎn)鏡和甚大射電望遠(yuǎn)鏡（VLA）數(shù)據(jù)合成的圖片，顯示了來(lái)自20億光年外，有銀河系質(zhì)量1000倍大小的武仙座A黑洞爆發(fā)出的噴流。這個(gè)看似普通的明亮星系卻有一個(gè)25億太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，科學(xué)家通過(guò)VLA看到了它爆發(fā)出的噴流。噴流實(shí)際是非常高能的等離子束，只能通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡觀察到它的信號(hào)。其爆發(fā)出的單邊距離就達(dá)150萬(wàn)光年，相比之下星系本身在光學(xué)成像下就顯得十分渺小。

來(lái)源：NASA

下一張圖片顯示的也一個(gè)巨大的噴流，人們認(rèn)為噴流正從半人馬座A中心的黑洞噴發(fā)出來(lái)。半人馬座A是一個(gè)距離我們1300萬(wàn)光年的橢圓星系。它的中心是一個(gè)質(zhì)量為5500萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞?？茖W(xué)家通過(guò)使用南半球的射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)，揭示了其星系長(zhǎng)度直徑只有15光年。這些噴射流供給了大量的輻射氣體，而這些氣體遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可見(jiàn)星系的范圍。這些噴射流比星系本身還要長(zhǎng)。

半人馬座A：

半人馬座A是天空中最大最亮的天體之一，其中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

半人馬座A，也是首個(gè)被確認(rèn)的天體射電源丨來(lái)源：NASA

黑洞的間接證據(jù)三：恒星圍繞看不見(jiàn)的地方運(yùn)動(dòng)

科學(xué)家還可以觀察到黑洞的極端重力對(duì)其周?chē)矬w的影響。天文學(xué)家記錄了黑洞周?chē)阈?0年來(lái)，圍繞著我們銀河系中心的人馬座A*運(yùn)動(dòng)的恒星數(shù)據(jù)。那些恒星在圍繞一處“空白”——黑洞運(yùn)行。我們并不能看到中間的黑洞，但如果那里真的空空如也，恒星的運(yùn)動(dòng)軌道并不會(huì)如此。

恒星圍繞黑洞運(yùn)動(dòng) 來(lái)源：UCLA

在圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)的恒星里有一個(gè)名為S2的恒星，它的環(huán)繞軌道周期只有16年，比木星環(huán)繞太陽(yáng)軌道一周時(shí)間長(zhǎng)30%，而它與黑洞中心的距離不足海王星到太陽(yáng)的4倍，天文學(xué)家由此推算出它的質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的15倍。而人馬座A*黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，巨大的引力讓它以每小時(shí)1800萬(wàn)千米的速度環(huán)繞黑洞運(yùn)動(dòng)。2018年，天文學(xué)發(fā)現(xiàn)它以每小時(shí)2500萬(wàn)千米的速度運(yùn)動(dòng)，幾乎達(dá)到了光速的3%。

2018年10月ESO的天文學(xué)家公布，他們發(fā)現(xiàn)了從黑洞吸積盤(pán)噴發(fā)出的巨大耀斑，得到了可信的證據(jù)。計(jì)算顯示，這些耀斑的運(yùn)動(dòng)速度約為光速的30%，每45分鐘繞黑洞一周。只有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞才能解釋這種劇烈而有力的運(yùn)動(dòng)。ESO報(bào)告稱(chēng)，這些觀測(cè)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)完全吻合，即在一個(gè)質(zhì)量為400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞附近有一些物質(zhì)在軌道上運(yùn)動(dòng)。

計(jì)算機(jī)模擬氣體如何繞黑洞運(yùn)行 GIF來(lái)源：ESO

終“見(jiàn)”黑洞

雖然黑洞距離我們過(guò)于遙遠(yuǎn)，天文學(xué)家仍想出了辦法觀測(cè)到它。傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡需要使用越來(lái)越大的光學(xué)鏡面來(lái)觀察宇宙中物體，而對(duì)于射電波來(lái)說(shuō)，還有一種虛擬的方法能把口徑變大，這就是此次拍下黑洞照片的視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。他們利用分布在全球，總共8座毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成了一個(gè)觀測(cè)陣列，也就是視界望遠(yuǎn)鏡，陣列的基線長(zhǎng)度幾乎與地球相同，意味著他們“創(chuàng)造”出了一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察黑洞。它的能力有多強(qiáng)？據(jù)麻省理工新聞報(bào)道，可以數(shù)清萬(wàn)米開(kāi)外棒球上的縫線。

8處望遠(yuǎn)鏡組成虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列丨來(lái)源：WIKI

2017年4月，EHT團(tuán)隊(duì)連接了世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡，讓他們都指向人馬座A*方向觀測(cè)幾天。實(shí)際上，除了半人馬座A，他們的目標(biāo)還有另一個(gè)目標(biāo)——M87星系中心黑洞。這次公布的就是M87黑洞照片，要保證這8處望遠(yuǎn)鏡能同時(shí)看到兩個(gè)黑洞，且達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，每年只有10天左右的最佳觀測(cè)時(shí)間。

要看到黑洞的照片，另一大難度就是“洗照片”。雖然這個(gè)過(guò)程在如今社會(huì)已經(jīng)少見(jiàn)，但科學(xué)家得到的是黑洞發(fā)出的射電波數(shù)據(jù)，要把它們還原成一個(gè)可視化的圖片非常困難。因?yàn)橐暯缤h(yuǎn)鏡的陣列一晚上就要產(chǎn)生20000TB的數(shù)據(jù)，和歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)相當(dāng)。科學(xué)家不可能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，他們選擇傳輸?shù)絻蓚€(gè)數(shù)據(jù)中心再集中分析。觀測(cè)10天，分析兩年，最終得到了這張黑洞照片。

諾貝爾獎(jiǎng)最多只有三個(gè)名額，大型團(tuán)隊(duì)拍下照片的貢獻(xiàn)很難衡量，但是彭羅斯、根澤爾和蓋茲的貢獻(xiàn)不可磨滅，在了解黑洞的路上我們將再進(jìn)一步。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自http://www.ccdi.gov.cn/toutiao/201904/t20190410_192054.html

原標(biāo)題：《人類(lèi)認(rèn)識(shí)黑洞的小小一步》

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