首次拍照就拍出了“人生照片”？科學家如何讓黑洞現形

初識黑洞

黑洞這個概念的提出可以回溯到1783年，威廉·赫歇爾的朋友米歇爾提出了一個“設想”，如果一顆恆星具有足夠大的質量和極高密度，它的引力場會非常強大，任何從恆星表面發出的光還沒到達遠處，就會被恆星的引力場全部拉回。從它那裡發出的光不會到達地球，我們也就看不到它，米歇爾稱其爲“暗星”。這跟我們現在說的黑洞非常接近了。黑洞就是這樣的天體，它的引力如此之大，以至於光都無法逃脫它的吸引。

▲有質量的物體對空間的扭曲（圖片來源：激光干涉引力波天文臺）

米歇爾提出“暗星”概念後100多年，1916年史瓦西計算出黑洞的視界半徑（也稱爲史瓦西半徑），它與質量有關。比如與地球質量相當的黑洞的史瓦西半徑只有9毫米，如果把地球壓縮成半徑9毫米以內的球，地球也可以成爲一個黑洞。

能被觀測到的黑洞不會“默不作聲”，它會和周圍的物體、環境發生相互作用，向外發出信息。如果我們對黑洞有一定了解，就可以通過這些信息知道它在哪裡，它長什麼樣子。

一個正在吞噬伴星物質的黑洞的引力很強，在其勢力範圍內，天體的塵埃、氣體都會被它吸引。這些被吸引的物質盤旋在黑洞的周圍，形成一個扁平的明亮的吸積盤，最終進入黑洞內部。進入黑洞的物質被撕碎，形成垂直於吸積盤平面的噴流。

▲正在吞噬伴星的黑洞

雖然我們不能直接“看見”黑洞，但是可以利用黑洞對周圍時空的影響、吸積盤、噴流等現象間接發現它的存在。大致來說，尋找黑洞的手段有4種，分別爲X射線、引力波、伴星運動和引力透鏡效應。

尋找黑洞之旅

X射線

X射線是一種波長很短的電磁輻射。黑洞在吸引密近伴星物質的時候會噴射出高能量X射線和伽瑪射線。黑洞研究歷史上著名的天鵝座X-1就是一個超強X射線源。

天鵝座X-1位於天鵝座方向的雙星系統，距離地球約7240光年，由一顆緻密星（主星）和藍超巨星（伴星）組成（藍超巨星是恆星的一種）。在X射線波段下觀測，藍超巨星不見了，一個巨大的吸積盤顯現出來，中心很明亮，表明那裡的X射線很強。

20世紀70年代，霍金和索恩打了一個賭，關於這個緻密天體是中子星還是黑洞，霍金認爲是中子星，索恩認爲是黑洞。後來的觀測表明，該緻密天體的質量相當於太陽質量的21倍，而中子星的最大質量不會超過太陽質量的3倍。其結果就是，霍金輸了。到了20世紀90年代，越來越多的證據證明這就是一個黑洞。

引力波

愛因斯坦根據廣義相對論預言了引力波的存在，近百年後，2015年9月14日美國的LIGO成功探測到了引力波信號，這是人類首次觀測到引力波信號，它來自兩個恆星級質量黑洞的合併事件。兩個相距幾十千米的黑洞（質量分別爲太陽質量的36倍和29倍）相互旋轉，速度越來越快，靠得越來越近，最終碰到一起，合併後質量爲太陽質量的62倍。在兩個黑洞相互纏繞旋轉的過程中，攪動起時空的漣漪，巨大的能量通過引力波向四周傳播。三位美國科學家因此獲得2017年的諾貝爾物理學獎。

▲2017年諾貝爾物理學獎獲得者

伴星運動

黑洞本身並不發光，我們無法“看見”黑洞本身，但是黑洞強大的引力會影響周圍天體的運動，目前探測到的恆星級質量黑洞都是擁有伴星的黑洞。

科學家們在長期觀測銀河系恆星運動時，發現銀河系中央區域的恆星軌道都繞開了一個區域，那裡有一個神秘的且看不見的天體牽引着恆星圍繞它運動。他們猜測，這個神秘的天體就是黑洞。2020年諾貝爾物理學獎的一半就授予了發現銀河系中心超大質量緻密天體的兩位科學家根策爾和蓋茲。計算推測，銀河系的中心的這個黑洞的質量相當於400萬個太陽質量。2022年，事件視界望遠鏡合作組織還給銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*）拍了照片。

科學家們在幾十個河外星系的中心都發現了超大質量黑洞，在超大質量黑洞周圍，恆星們繞着它運動，通過恆星們運行的軌跡可以推知黑洞的大小。超大質量黑洞動輒有百萬個太陽質量那麼大，它不可能來自恆星的死亡，它的形成至今還是一個謎。

引力透鏡效應

黑洞雖然神秘，但還是會露出一些“蛛絲馬跡”。它牽引伴星圍繞它運動，我們觀測伴星運動可以找到它；它吸食伴星物質放出X射線等電磁輻射，這些輻射會被各種波段的望遠鏡等探測器探測到；兩個黑洞合併前激起的引力波會被引力波探測器捕捉到；受扭曲時空影響的光的路徑，同樣會暴露它的位置，比如引力透鏡效應。

▲圖 由於引力透鏡效應，背景星系形成多個像

最早發現引力透鏡效應的是在美國亞利桑那州基特峰國立天文臺工作的科學家們，他們用口徑2.1米的光學望遠鏡觀測到了“兩”個靠得很近的類星體（QSO0957+561A和QSO0957+561B），二者視角相距只有6秒。這“兩”個類星體的光譜、射電流密度都非常相似，最後科學家們確認這“兩”個類星體其實是由一個實體產生的兩個虛像。

目前科學家已經發現了數百個引力透鏡，引力透鏡一個很重要的作用是能幫助我們窺視宇宙的更深處，看到更遙遠的天體。理論上，任何天體都會扭曲周圍的時空形成引力透鏡，但只有當“引力透鏡”扭曲能力足夠強大，並且後面正好有可被觀測的發光天體的時候，才能通過引力透鏡效應發現黑洞。

如何給黑洞拍照？

我們已經介紹了4個間接尋找黑洞的方法，有沒有可能直接給黑洞拍一張照片呢？科學家們已經想到了，2019年事件視界望遠鏡合作組織發佈了人類歷史上第一張真實的黑洞圖像，這一張圖像是由8個射電望遠鏡陣列聯合拍攝的。

▲圖 事件視界望遠鏡合作組織的8個射電望遠鏡陣列模擬出地球直徑大小的望遠鏡，給黑洞拍照

事件視界望遠鏡合作組織的這8個射電望遠鏡陣列分佈於全球6個地方，分別是位於南極的南極望遠鏡（SPT）；位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣（ALMA）和阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（APEX）；位於墨西哥的大型毫米波望遠鏡（LMT）；位於美國亞利桑那州的亞毫米波望遠鏡（SMT）；位於美國夏威夷州的麥克斯韋望遠鏡（JCMT）和亞毫米波望遠鏡（SMA）；位於西班牙的30米毫米波望遠鏡（PV）。

這8個射電望遠鏡陣列模擬出一臺口徑跟地球直徑一樣大的望遠鏡。望遠鏡的口徑越大，分辨率就越高，據說事件視界望遠鏡的分辨率相當於可以在我國北端的漠河清晰識別出南沙羣島上的一張報紙的標題字號。

被拍攝對象是M87星系（河外星系）中心的超大質量黑洞，距我們大約5400萬光年。爲什麼不拍攝離我們更近的銀河系中心的黑洞呢？那也是超大質量黑洞呀。原因有兩點，一是，M87星系中心的黑洞活躍度遠遠高於銀河系中心的黑洞，黑洞越活躍，它的吸積盤就越明亮，就更容易被觀測到。二是，M87星系中心的黑洞質量更大，是銀河系中心黑洞質量的1500多倍，雖然它離我們更遠，但在地球上看來，這兩個黑洞看起來都差不多大。綜合考慮下來，就選擇了更加容易觀測的M87星系中心超大質量黑洞作爲拍攝對象。

M87黑洞的拍攝展現了全球合作研究的新範式。2017年，8臺射電望遠鏡同時連線觀測，拍攝蒐集的數據量相當大，共計5000萬億字節，存儲這些數據的硬盤足足有半噸重。如此龐大的數據，依靠網絡傳輸會是一個非常漫長的過程，實際上是通過空運將存儲數據的硬盤送到研究所。處理這些數據最後將其拼接成照片花費了兩年的時間。終於，2019年4月10日全球多地同時發佈了這張來自不易的黑洞寫真照片（如下圖左上角所示），照片一發布，萬衆矚目，有人說它像蜂窩煤球，有人說它像貓眼，有人說它像一個“甜甜圈”。可以說，第一張黑洞照片是天文學、物理學、計算機科學、算法科學等多學科領域專家努力協作的結果。

▲圖 事件視界望遠鏡和它拍攝的黑洞照片

2021年3月，事件視界望遠鏡合作組織又發佈了一張照片——M87超大質量黑洞的偏振光照片（如圖左下角所示），比起兩年前的照片，這張照片多了一些螺旋紋路，形似“曲奇”。新的“曲奇”與2019年的“甜甜圈”來自同一次成像觀測，只是處理偏振圖像花費的時間更長。黑洞的偏振圖像包含了更多的信息，有助於科學家們更深入地理解黑洞周圍的物理環境。

黑洞的強大引力不但吸引着周圍的物質，也吸引着人類的好奇心。2022年5月事件視界望遠鏡合作組織發佈了銀河系中心的黑洞Sgr A*的首張照片。接下來，事件視界望遠鏡的鏡頭又將對準哪裡呢？

評論有禮

黑洞內部的時空是什麼樣子的？超大質量黑洞來自哪裡？原初黑洞存在嗎？黑洞的盡頭是什麼？評論區分享你的看法，留言點贊前3位將獲得《宇宙探秘歷險記 地球上的挑戰》一本！

書名：宇宙探秘歷險記 地球上的挑戰

‍♂️ 作者：墨子沙龍

內容簡介

本書圖文並茂，通過小酷、甜甜、阿亮三位主人公的探險經歷，介紹了宇宙誕生的故事。書中通過一系列有趣的遊戲和挑戰、三位主人公的學習日記、知識小課堂，向讀者介紹了流星雨、隕石等天文現象，闡釋瞭望遠鏡的發展歷史及其觀測原理。隨着遊戲和挑戰的層層推進，讀者還將跟隨伽利略的腳步，領略月球的神秘與木星的衛星奇觀，並一窺宇宙的浩瀚無垠。此外，書中還介紹了黑洞這一宇宙最神秘的天體，通過深入淺出的講解，揭示了黑洞的奧秘與觀測方法。本書非常適合熱愛科學的青少年閱讀。