漲知識 | 黑洞是個什么“洞”，如何給它拍照？

　　北京時間4月10日晚21時許，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目在中國上海和臺北、美國華盛頓、日本東京、比利時布魯塞爾和智利圣地亞哥同時召開新聞發(fā)布會。發(fā)布會上，有一張全球200多位科學(xué)家們用八個望遠(yuǎn)鏡（陣）合力拍攝、并“沖洗”了兩年的神秘照片終于與公眾見面。

　　這就是人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。

圖片來源：事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織

　　據(jù)介紹，此次發(fā)布的黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，其距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。該圖像的許多特征與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言完全相一致，在強(qiáng)引力極端環(huán)境下進(jìn)一步驗證了廣義相對論。通過研究這個圖像，人類將揭示出黑洞這類天體更多本質(zhì)。

　　那么，什么是黑洞？黑洞是怎樣形成的？科學(xué)家是如何讓它現(xiàn)形的？一起來看！

黑洞是什么？

　　自上世紀(jì)中期開始，人們對黑洞的探秘就從未停止過。

　　200多年前，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯就曾提出：一個質(zhì)量足夠大但體積足夠小的恒星會產(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年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論不久，德國數(shù)學(xué)家史瓦西得到了靜態(tài)球?qū)ΨQ情況下愛因斯坦場方程的一個解，解在一個特殊半徑（后稱史瓦西半徑）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。

　　1939年美國物理學(xué)家奧本海默等也證明確實存在一個時間-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)域的邊界稱為視界，在靜態(tài)球?qū)ΨQ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”的特殊天體稱為“黑洞”。因此，黑洞也是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的一種產(chǎn)物。

宇宙中的黑洞分為哪幾類？黑洞又是怎么被發(fā)現(xiàn)的？

　　天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在一些被X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的雙星（由一個致密星和另一個正常恒星組成）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多個黑洞X射線雙星，它們的黑洞質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的5到20倍。

　　黑洞剪影的模擬圖像：廣義相對論預(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）。

　　最近幾年，地面激光干涉引力波天文臺(LIGO) 已宣布已探測到11對雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，這些黑洞的質(zhì)量都是幾十個太陽質(zhì)量。

　　天文學(xué)家通常把這些質(zhì)量為幾個到一百個太陽質(zhì)量的黑洞叫恒星級黑洞。

　　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)像有的看起來很像恒星，但光譜觀測顯示它們本質(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。

　　這些被稱為“類星體”的活動星系核能輻射出比銀河系高成千上萬倍的能量，其發(fā)光原理不能用核反應(yīng)來解釋。

　　科學(xué)家們認(rèn)為類星體的能源來自于其中心質(zhì)量極大的黑洞吸積周圍物質(zhì)所釋放出的巨大引力能↓

類星體中心超大質(zhì)量黑洞及吸積盤、噴流示意圖

　　后來的觀測表明像我們銀河系這樣的正常星系中心也存在質(zhì)量在百萬太陽質(zhì)量以上的黑洞，只是因為這些正常星系中心的黑洞周圍沒有多少可供吞噬的物質(zhì)，所以其表現(xiàn)不如類星體中心的黑洞“活躍”，無法釋放像類星體那樣巨大的能量。

　　天文學(xué)家把類星體和星系中心質(zhì)量在百萬到百億倍太陽質(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黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間、質(zhì)量為幾百到幾十萬倍太陽質(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，但還需更多的觀測予以證實。

　　如何給黑洞拍照？

　　雖然天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了眾多的恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞，但都是通過黑洞強(qiáng)大的引力對周圍物質(zhì)和恒星的影響而間接探測到的。

　　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），但因為黑洞不是孤立的，它們對周圍物質(zhì)和恒星的影響可產(chǎn)生豐富的觀測現(xiàn)象讓天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們，并測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結(jié)果測量出一些黑洞的自轉(zhuǎn)。

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

恒星級黑洞系統(tǒng)示意圖

　　對質(zhì)量為幾十個太陽質(zhì)量的銀河系內(nèi)恒星級黑洞而言，史瓦西半徑只有幾十公里，而這些黑洞距離我們都有上萬光年（1光年約為9.5萬億公里）之遙，事件視界的大小相對于距離實在太小了，所以完全無法探測。最可能對其事件視界直接成像的黑洞是離我們很近的兩個超大質(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4百萬太陽質(zhì)量，距離我們2.5萬光年，事件視界半徑約1.2千萬公里。射電星系M87中心黑洞質(zhì)量為60億太陽質(zhì)量，距離我們5千萬光年，事件視界半徑約180億公里。

　　要對這兩個超大質(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)到十個微角秒（一微角秒為百萬分之一角秒）左右，這相當(dāng)于要分辨出月亮上的一個乒乓球，對于人類是一個極大的挑戰(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。