北京時間2019年4月10日晚21點，人類史上首張黑洞照片面世
黑洞，這個神秘的天體終于和大家見面了。“視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope，以下簡稱“EHT”）團隊，宣布捕捉到了M87星系中心特大質量黑洞圖像，終于讓人們一睹黑洞的“芳容”。
科學史上的 “突破”其實十分罕見，必須實事求是地說，首張黑洞照片只是我們認識黑洞的小小一步。
現代天體物理中的黑洞，源自愛因斯坦廣義相對論的推論，揭示了物理學中的極限。它是宇宙中最致密的天體，強大的引力讓光都無法從黑洞視界中逃逸。黑洞也是最能激發人類好奇心和想象力的東西。比如人接近黑洞會怎么樣？理論告訴我們，他們會被拉伸、壓縮，經歷“面條化”（Spaghtti fication）。
然而在今天的照片之前，沒有哪位天文學家真正見過黑洞，我們得到了一些間接的證據，“聽到”了一些聲音，這些聲音是數十億年前黑洞碰撞產生的時空的漣漪——引力波。為什么黑洞這么難被發現，它又如何被確定存在？來看看科學家都發現了什么。
黑洞的藝術照
我們平時見到的所謂黑洞的圖片，都是經過藝術處理的圖片。太空藝術或天文藝術，是科學可視化的展示，在科學教育和科學普及方面起到重要作用。當然，天文藝術也不僅如此，它們也是藝術的一種，有著自己更內涵的表達。
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。
美麗的黑洞是科學與藝術結合的產物，從圖中可以看出時空在黑洞附近彎曲了 來源：NASA
黑洞如何形成？
認定黑洞的存在經過了科學史上漫長而曲折的過程，從18世紀提出的“暗星”，到廣義相對論引力場方程的精確解，又經歷對恒星演化過程的研究，到了20世紀90年代，人們才看到了黑洞存在的間接證據。
目前公認的恒星級質量的黑洞是由大質量恒星自身坍縮而形成的。當恒星的核燃料耗盡，也就是恒星到達生命的盡頭時，它們會膨脹，失去質量，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倍太陽質量的恒星，它們會隨著一場大爆炸——超新星爆發而坍縮成中子星。如果質量再大一些，25個以上的太陽質量，它們會進而演化成黑洞。當然，這些數字也不是絕對的，通常恒星質量級別的黑洞在3到100個太陽質量的區間。
超新星爆發會將恒星的物質拋向太空，只留下核心。本來恒星可以通過自身的核聚變產生持續向外的推力，以平衡恒星自身質量向內的引力。但爆發后恒星的殘骸不會再提供推力，但自身巨大的引力還在，就只能向內坍縮。當它持續坍縮，半徑收縮到史瓦西半徑時，黑洞就誕生了。現在科學家認為銀河系中存在著成千上萬個恒星質量級的黑洞，確認了20多個存在。
史瓦西半徑：
史瓦西半徑是任何具有質量的物質都存在的一個臨界半徑特征值。1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，表明如果將大量物質集中于空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——事件視界面，一旦進入界面，即使光也無法逃脫。后人將此距離稱為史瓦西半徑，并把上述天體周圍史瓦西半徑處的想象中的球面叫作視界。
當然，如果以質量劃分，黑洞還有其他幾種類型，如超大質量黑洞（數百萬倍太陽質量）和微型黑洞（理論上小于太陽質量）。科學家還不清楚超大質量黑洞是如何形成的，他們推測是黑洞吸收了其附近的恒星和氣體云等逐漸長大而成。對于微小型黑洞，天文學家認為可能是在大爆炸后的早期混沌宇宙中形成的。
為什么此前看不見黑洞？
看不見黑洞，并不完全因為它是“黑”的。在此之前，我們實際上能夠觀察到的黑洞，是視界以外的部分。黑洞的質量幾乎都集中于最中心的“奇點”處，但仍有一個臨界半徑“視界面”，我們能看到視界面外的物質。但真正讓我們看不到它的原因是，即使是超大質量黑洞，對我們來說也太小了！按《自然》雜志的說法，要一臺比哈勃強大1000倍的望遠鏡才能觀測它。
比如這次EHT團隊觀察銀河系中心的人馬座A＊（Sgr A＊）的質量相當于400萬個太陽，它的視界面直徑約為2400萬公里，相當于17個太陽大小，然而它距離我們有2．5萬光年遠，實際對我們來說非常微小。有很多比喻來形容這一距離，比如中科院國家天文臺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，由于黑洞的強大引力，它往往被其他明亮的物質包圍，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，天文學家通常不會嘗試直接觀測，他們要尋找黑洞存在的間接證據，比如黑洞對其周圍天體的作用和影響。
黑洞周圍的吸積盤和噴流，藝術想象圖 來源：JPL
美國亞利桑亞大學的天體物理學家Dimitrios Psaltis說，“我們通常測量恒星和氣體運動的軌道，這些恒星和氣體似乎圍繞著天空中非常暗的一‘點’旋轉，然后我們測量那個暗點的質量。如果我們沒能發現其他天體能像它那樣質量如此之大、顏色如此之深，我們就會認為這是黑洞存在的有力證據。”
天文學家還能通過黑洞周圍的吸積盤和發出的噴流而確定它的存在。當物質被黑洞吸收時，會沿著螺旋狀的軌道靠近黑洞，從而形成一個圓盤狀的吸積盤。在被吸入黑洞的同時，它們還會沿著旋轉軸的方向噴出高能粒子，也就是噴流。這些高強度的輻射能被地球上的望遠鏡捕獲到，從而認定黑洞的存在。
黑洞的間接證據一：X射線
1999年，美國國家航空航天局（NASA）發射了三顆衛星，它們組成了錢德拉塞卡X射線天文臺（CXO）。這是以著名的美籍印裔物理學家錢德拉塞卡命名的望遠鏡，專門觀測不同天體發出的X射線。對于黑洞存在的最好證據就來自這里。
在黑洞的引力下，吸積盤內物質落入黑洞的速度極快，物質之間的摩擦使它被加熱至數十億度的高溫，從而發出輻射，這些輻射就包括有X射線。如果黑洞吸收的物質過多，噴流也會出現爆發。天文學家把這一個過程形象的稱為“打嗝”——就像黑洞進食過程中打了一個嗝。
錢德拉塞卡天文臺記錄了一次著名的打嗝。兩個距離我們大約2600萬光年的星系NGC 5195和渦狀星系NGC 5194，爆發出了強烈的X射線。這是一對著名的交互作用星系，天體物理學家認為這次X射線爆發來自里面巨大的黑洞。
左側為哈勃望遠鏡拍攝的光學成像，右側為X射線成像 來源：Chandra．harvard．edu
與它們相似的是Arp 147，也是兩個交互作用的環狀星系。這張圖像上的紫紅色斑點是強烈的X射線輻射區域，被認為是當兩個星系（藍色是螺旋星系，粉紅色環是橢圓星系）相撞時形成的黑洞。
這張圖也是錢德拉塞卡X射線望遠鏡和哈勃望遠鏡觀測合成 來源：chandra．harvard．edu
此圖是X射線拍下的圖片
這是來自英仙座星系團中心區域的X射線和聲波（經過特殊處理）——黑洞存在的更間接證據：
圖中的白點是超大質量黑洞 來源：chandra．harvard．edu
最近的研究顯示，在銀河系中心的大黑洞周圍，還擁有者甚至超過20000個較小的黑洞。一組研究人員發現了銀河系中心三光年范圍內存在十幾個黑洞的證據。下面也是一個X射線圖像，他們用藍色的圓圈來表示黑洞。
黑洞只有在“吞噬食物”時才會釋放強烈的X射線，但“捕捉”它們非常不容易。黑洞一般來說很難偵測到，即使是像銀河系中心的黑洞，它的吸積盤也非常暗淡，能記錄一下它的爆發并不容易。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。
黑洞的間接證據二：噴流，比星系本身還長
這張來自哈勃望遠鏡和甚大射電望遠鏡（VLA）數據合成的圖片，顯示了來自20億光年外，有銀河系質量1000倍大小的武仙座A黑洞爆發出的噴流。這個看似普通的明亮星系卻有一個25億太陽質量的黑洞，科學家通過VLA看到了它爆發出的噴流。噴流實際是非常高能的等離子束，只能通過射電望遠鏡觀察到它的信號。其爆發出的單邊距離就達150萬光年，相比之下星系本身在光學成像下就顯得十分渺小。
來源：NASA
下一張圖片顯示的也一個巨大的噴流，人們認為噴流正從半人馬座A中心的黑洞噴發出來。半人馬座A是一個距離我們1300萬光年的橢圓星系。它的中心是一個質量為5500萬個太陽質量的黑洞。科學家通過使用南半球的射電望遠鏡聯合觀測，揭示了其星系長度直徑只有15光年。這些噴射流供給了大量的輻射氣體，而這些氣體遠遠超出了可見星系的范圍。這些噴射流比星系本身還要長。
半人馬座A：
半人馬座A是天空中最大最亮的天體之一，其中心有一個超大質量黑洞。
半人馬座A，也是首個被確認的天體射電源 來源：NASA
黑洞的間接證據三：恒星圍繞看不見的地方運動
科學家還可以觀察到黑洞的極端重力對其周圍物體的影響。天文學家記錄了黑洞周圍恒星20年來，圍繞著我們銀河系中心的人馬座A＊運動的恒星數據。那些恒星在圍繞一處“空白”——黑洞運行。我們并不能看到中間的黑洞，但如果那里真的空空如也，恒星的運動軌道并不會如此。
在圍繞黑洞運動的恒星里有一個名為S2的恒星，它的環繞軌道周期只有16年，比木星環繞太陽軌道一周時間長30％，而它與黑洞中心的距離不足海王星到太陽的4倍，天文學家由此推算出它的質量大約是太陽質量的15倍。而人馬座A＊黑洞的質量是太陽的400萬倍，巨大的引力讓它以每小時1800萬千米的速度環繞黑洞運動。2018年，天文學發現它以每小時2500萬千米的速度運動，幾乎達到了光速的3％。
去年10月ESO的天文學家公布，他們發現了從黑洞吸積盤噴發出的巨大耀斑，得到了可信的證據。計算顯示，這些耀斑的運動速度約為光速的30％，每45分鐘繞黑洞一周。只有一個超大質量的黑洞才能解釋這種劇烈而有力的運動。ESO報告稱，這些觀測結果與理論預測完全吻合，即在一個質量為400萬倍太陽質量的黑洞附近有一些物質在軌道上運動。
終“見”黑洞
雖然黑洞距離我們過于遙遠，天文學家仍想出了辦法觀測到它。傳統的光學望遠鏡需要使用越來越大的光學鏡面來觀察宇宙中物體，而對于射電波來說，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鏡（EHT）。他們利用分布在全球，總共8座毫米波射電望遠鏡組成了一個觀測陣列，也就是視界望遠鏡，陣列的基線長度幾乎與地球相同，意味著他們“創造”出了一個地球大小的望遠鏡來觀察黑洞。它的能力有多強？據麻省理工新聞報道，可以數清萬米開外棒球上的縫線。
8處望遠鏡組成虛擬望遠鏡陣列 來源：WIKI
2017年4月，EHT團隊連接了世界各地的射電望遠鏡，讓他們都指向人馬座A＊方向觀測幾天。實際上，除了半人馬座A，他們的目標還有另一個目標——M87星系中心黑洞。這次公布的就是M87黑洞照片，要保證這8處望遠鏡能同時看到兩個黑洞，且達到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，每年只有10天左右的最佳觀測時間。
要看到黑洞的照片，另一大難度就是“洗照片”。雖然這個過程在如今社會已經少見，但科學家得到的是黑洞發出的射電波數據，要把它們還原成一個可視化的圖片非常困難。因為視界望遠鏡的陣列一晚上就要產生20000TB的數據，和歐洲大型強子對撞機一年產生的數據相當。科學家不可能對這些數據進行實時分析，他們選擇傳輸到兩個數據中心再集中分析。觀測10天，分析兩年，最終得到了這張黑洞照片。（劉辛味｜｜王小寧）