本文專(zhuān)家:吳學(xué)兵，北京大學(xué)天文學(xué)系系主任，教授

先平復(fù)一下激動(dòng)的心情，北京時(shí)間今天晚上21:00，首張黑洞照片即將面世！

是的，是首張，此前人類(lèi)基本都是間接“看到”黑洞，這次則直接“拍”了下來(lái)！

這事到底有多大？

這么說(shuō)吧，今晚全球六地同時(shí)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和臺(tái)北、日本東京以及美國(guó)華盛頓），同步發(fā)布！這有可能是今年最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

在上海，EHT項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院將發(fā)布這一重大成果。

據(jù)媒體報(bào)道，全球一共60多個(gè)研究機(jī)構(gòu)參與了研究，其中包括中國(guó)科學(xué)院下屬的上海天文臺(tái)、云南天文臺(tái)等機(jī)構(gòu)，以及華中科技大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)等高校。這也是中國(guó)上海和臺(tái)北兩地聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會(huì)的原因。

時(shí)間

北京時(shí)間2019年4月10日21點(diǎn)整

地點(diǎn)

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)

黑洞是什么？宇宙中真的有黑洞嗎？黑洞的照片會(huì)是什么樣子？下面我們一一揭曉。

黑洞是什么？

自上世紀(jì)中期開(kāi)始，人們對(duì)黑洞的探秘就從未停止過(guò)。

200多年前，英國(guó)的米歇爾和法國(guó)的拉普拉斯就曾提出: 一個(gè)質(zhì)量足夠大但體積足夠小的恒星會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的引力，以致連光線都不能從其表面逃走，因此這顆星是完全“黑”的，但這一推論隨后被人遺忘。

1915年愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論不久，德國(guó)數(shù)學(xué)家史瓦西得到了靜態(tài)球?qū)ΨQ(chēng)情況下愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)解，解在一個(gè)特殊半徑（后稱(chēng)史瓦西半徑）處存在奇異性。

M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區(qū)域是黑洞的剪影。| 圖片來(lái)源：Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

1939年美國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W本海默等也證明確實(shí)存在一個(gè)時(shí)間-空間區(qū)域，光也不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。這一區(qū)域的邊界稱(chēng)為視界，在靜態(tài)球?qū)ΨQ(chēng)情況下，視界半徑就是史瓦西半徑。如果某天體的半徑小于史瓦西半徑，那么該天體就應(yīng)該是“黑”的，無(wú)法被我們看到。

科學(xué)家們把這些引力極強(qiáng)而又“看不到”的特殊天體稱(chēng)為“黑洞”。因此，黑洞也是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一種產(chǎn)物。

宇宙中的黑洞是怎么被發(fā)現(xiàn)的？

他們發(fā)現(xiàn)在一些被X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的雙星（由一個(gè)致密星和另一個(gè)正常恒星組成）中，致密星的質(zhì)量比中子星的質(zhì)量上限（約為3倍太陽(yáng)質(zhì)量）還大，但半徑卻差不多，因此認(rèn)為這些引力極強(qiáng)的致密星只能是黑洞。

目前在銀河系中已發(fā)現(xiàn)20多個(gè)黑洞X射線雙星，它們的黑洞質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的5到20倍。

黑洞剪影的模擬圖像：廣義相對(duì)論預(yù)言剪影是圓形的（中），其他理論則預(yù)言了不同的形狀（左、右）。| 圖片來(lái)源：D. Psaltis and A. Broderick

最近幾年，地面激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO) 已宣布已探測(cè)到11對(duì)雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，這些黑洞的質(zhì)量都是幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

天文學(xué)家通常把這些質(zhì)量為幾個(gè)到一百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞叫恒星級(jí)黑洞。

二次世界大戰(zhàn)后，雷達(dá)技術(shù)廣泛用于射電天文，許多宇宙射電源被發(fā)現(xiàn)。這些射電源的光學(xué)像有的看起來(lái)很像恒星，但光譜觀測(cè)顯示它們本質(zhì)上不是恒星，而是譜線有巨大紅移的銀河系外遙遠(yuǎn)天體。

這些被稱(chēng)為“類(lèi)星體”的活動(dòng)星系核能輻射出比銀河系高成千上萬(wàn)倍的能量，其發(fā)光原理不能用核反應(yīng)來(lái)解釋。

科學(xué)家們認(rèn)為類(lèi)星體的能源來(lái)自于其中心質(zhì)量極大的黑洞吸積周?chē)镔|(zhì)所釋放出的巨大引力能↓

圖1：類(lèi)星體中心超大質(zhì)量黑洞及吸積盤(pán)、噴流示意圖 | 圖片來(lái)源：NASA/Goddard Space Flight Center

后來(lái)的觀測(cè)表明像我們銀河系這樣的正常星系中心也存在質(zhì)量在百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量以上的黑洞，只是因?yàn)檫@些正常星系中心的黑洞周?chē)鷽](méi)有多少可供吞噬的物質(zhì)，所以其表現(xiàn)不如類(lèi)星體中心的黑洞“活躍”，無(wú)法釋放像類(lèi)星體那樣巨大的能量。

天文學(xué)家把類(lèi)星體和星系中心質(zhì)量在百萬(wàn)到百億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞叫超大質(zhì)量黑洞。

那么宇宙中是否存在介于恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間、質(zhì)量為幾百到幾十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞呢？天文學(xué)家雖然在一些近鄰星系的極亮X射線源中似乎已找到中等質(zhì)量黑洞存在的跡象，但還需更多的觀測(cè)予以證實(shí)。

黑洞照片會(huì)是什么樣子？

雖然天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了眾多的恒星級(jí)黑洞和超大質(zhì)量黑洞，但都是通過(guò)黑洞強(qiáng)大的引力對(duì)周?chē)镔|(zhì)和恒星的影響而間接探測(cè)到的。

宇宙中的黑洞自身雖然是不發(fā)光的（霍金輻射在天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的黑洞中太弱，可忽略不計(jì)），但因?yàn)楹诙床皇枪铝⒌?，它們?duì)周?chē)镔|(zhì)和恒星的影響可產(chǎn)生豐富的觀測(cè)現(xiàn)象讓天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們，并測(cè)量出其最重要的物理參數(shù)－質(zhì)量。在少數(shù)情況下，天文學(xué)家甚至還可利用觀測(cè)結(jié)果測(cè)量出一些黑洞的自轉(zhuǎn)。

但至今還缺乏對(duì)黑洞的直接探測(cè)和成像。黑洞最主要的特點(diǎn)是存在事件視界，大小為史瓦西半徑。

恒星級(jí)黑洞系統(tǒng)示意圖 | 圖片來(lái)源：http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

對(duì)質(zhì)量為幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的銀河系內(nèi)恒星級(jí)黑洞而言，史瓦西半徑只有幾十公里，而這些黑洞距離我們都有上萬(wàn)光年（1光年約為9.5萬(wàn)億公里）之遙，事件視界的大小相對(duì)于距離實(shí)在太小了，所以完全無(wú)法探測(cè)。最可能對(duì)其事件視界直接成像的黑洞是離我們很近的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，即人馬座方向銀河系中心和室女座方向射電星系M87中心的黑洞。

銀河系中心黑洞Sgr A*質(zhì)量約為4百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量，距離我們2.5萬(wàn)光年，事件視界半徑約1.2千萬(wàn)公里。射電星系M87中心黑洞質(zhì)量為60億太陽(yáng)質(zhì)量，距離我們5千萬(wàn)光年，事件視界半徑約180億公里。

要對(duì)這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的事件視界附近照像，望遠(yuǎn)鏡的分辨率需要達(dá)到十個(gè)微角秒（一微角秒為百萬(wàn)分之一角秒）左右，這相當(dāng)于要分辨出月亮上的一個(gè)乒乓球，對(duì)于人類(lèi)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)！著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的分辨率也只有0.05角秒。

但天文學(xué)家還是想出了辦法，他們利用分布在全球幾大洲的8個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡組成干涉陣列（即事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT），陣列的基線長(zhǎng)度和地球大小相當(dāng)，角分辨率可達(dá)幾十微角秒，因此具備對(duì)銀河系中心黑洞和射電星系M87中心黑洞視界面附近區(qū)域進(jìn)行成像的能力。

那么，事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的黑洞照片究竟會(huì)是什么樣子呢？

圖三：望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖，紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地丨圖片來(lái)源：http://m.sohu.com/a/133852929_376569

首先，黑洞自身是不發(fā)光的，我們看到的發(fā)光實(shí)際都來(lái)自于事件視界外面的物質(zhì)，并不來(lái)自于黑洞本身，但黑洞的存在會(huì)在照片上留下“陰影”。其次，由于黑洞強(qiáng)引力導(dǎo)致的相對(duì)論效應(yīng)，如光線彎曲、引力紅移等，會(huì)導(dǎo)致黑洞周?chē)镔|(zhì)發(fā)光的不對(duì)稱(chēng)和扭曲。

此外，事件視界外面的“環(huán)境”并不完全干凈，塵埃、氣體、磁場(chǎng)、噴流等因素都會(huì)對(duì)事件視界外物質(zhì)的發(fā)光產(chǎn)生影響。而且，事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率畢竟還是有限的，圖像的測(cè)量和重構(gòu)過(guò)程也很復(fù)雜↓

事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)團(tuán)隊(duì)模擬的黑洞附近照片及其測(cè)量和重構(gòu)過(guò)程 | 圖片來(lái)源：https://eventhorizontelescope.org/science

因此，盡管我們對(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的首張黑洞照片非常期待，但如果最終看到公布的照片不那么美觀和清晰（比如像上圖右邊的樣子），也請(qǐng)大家不必感到意外。

萬(wàn)事開(kāi)頭難！今后大家看到的黑洞照片肯定會(huì)比現(xiàn)在更精彩。