史上第一次拍摄黑洞

Holiso

本世纪最重要的科学突破

在银河系的中心，有一个靠吞噬高温气体为生的超级黑洞。它将一切接近它的东西吞噬殆尽——连光也不例外。我们看不见黑洞本身，但可以观察到黑洞表面视界线（天文学上指黑洞的边界，在此边界以内的光无法逃离）留下的投影，而一张黑洞影子的照片，可以帮助我们找到宇宙重要问题的答案。科学家们曾经认为，拍摄这样一张黑洞的照片需要地球大小的天文望远镜——直到凯蒂·伯曼和一支由天文学家组成的团队想出了一个聪明的解决办法。

史上首张黑洞照片一经问世，引发全球关注。在这之前，科学家们只能追踪到光子消失的视界，而真正的黑洞依然是巨大的谜团。被拍摄的黑洞位于M87星系中，距离地球超过5 500万光年，还有个夏威夷语名字“Powehi”，意指“无限创造的黑暗源泉”。黑洞照片是EHT（事件视界望远镜）跨国研究计划的工作成果。EHT散布世界各地的8台望远镜共同形成与地球一样大的虚拟数组式望远镜，其中2台就位于夏威夷毛纳基休眠火山上。天文学家认为，夏威夷对EHT计划有重要贡献，因此，以夏威夷语给首度曝光的黑洞命名。

事件视界望远镜的观测，可以算作本世纪最重要的科学突破。遗憾的是，刷屏多天的照片并不是真正意义上的“黑洞照片”，更合适的解释是科学家对庞大的观测数据进行计算，“拼”出了世界上第一张黑洞照片。虽然黑洞是看不见的，但如果以无线电波长放大，我们就会看到一圈光线由围绕黑洞的等离子体引力透镜产生，这个黑洞在背后明亮物質的衬托下，留下了一个圆形的暗影，而它周围的光环勾勒出黑洞边界的位置，这个边界称为事件视界。

廿九芳华，熠熠生辉

没有人见过真正的黑洞，那么什么样的图才像真正的黑洞呢？领导这一团队的是来自美国麻省理工学院的29岁漂亮小姐姐，她名叫凯蒂·伯曼。凯蒂的父亲查尔斯·伯曼是普渡大学的工程系教授，凯蒂从十几岁起，就申请加入普渡大学科研项目，跟着父亲研究计算机成像技术。凯蒂在高中生涯的最后一年，从授课老师口中了解到“事件视界望远镜计划”。这个不经意间聊到的话题一直埋在她心里。高中毕业后，凯蒂考入密歇根大学安娜堡分校学习电气工程，因为成绩优异，获得美国国家科学基金会奖学金，以最高荣誉身份毕业。2015年，当人类第一次直接探测到双黑洞并合产生的引力波，“听”到了黑洞的“声音”，作为计算机成像工程研究者，凯蒂想亲眼看看黑洞。尽管毫无天文学和物理学背景，但这并不妨碍她了解宇宙的兴趣。凯蒂把实习地点选在麻省理工学院的海斯塔克天文台。在获得了电气工程及计算机成像科学硕士之后，她终于受邀加入“事件视界望远镜计划”，以初级研究员的身份参与黑洞拍摄。

由于衍射现象（是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象），我们能看到的最小物体是有限制的，而当我们看到的东西越来越小时，望远镜需要变得很大。黑洞离我们那么遥远，即便是地球上功能最强的光学望远镜，其分辨率也不足以让我们看清黑洞。如果有一台天文望远镜能将整个黑洞“拍摄”下来，那这台望远镜的直径将达到10000千米，但是地球直径也不过13000千米。要想看到黑洞，我们需要一个和整个地球一样大的望远镜，这无异于天方夜谭。但是，办法总会有的。假如地球大小的望远镜被造出来了，就相当于一个巨大的球形迪斯科灯，每一面镜子都会收集光线，将这些光线组合成图片，从而看到清晰的黑洞边界。假设我们将大多数镜子移走，只保留几片，我们仍可以尝试将信息合成图片。留下来的这几片镜子就是地球上的8台电波望远镜（智利ALMA、智利APEX、西班牙IRAM、夏威夷Maxwell、墨西哥LMT、夏威夷SMA、美国ARO、南极SPT），但它们对于制成一张黑洞照片来说还远远不够。好在地球一直在不停旋转，这些望远镜就可以收集到不同部分的信息，将球形迪斯科灯上的空缺部分填满，从而“拼”出黑洞照片。

早闻其名，不见其形

历史上最早提出“黑洞”这一概念是在1795年，著名的法国数学家和天文学家拉普拉斯在一部专著中，根据牛顿万有引力定律提出，如果有一颗星球，密度与地球相同，但是直径比太阳大250信，那么在这颗星球的表面，引力将大得使它所发出的光也不能离开它，因而从外面根本看不到它。

1915年，爱因斯坦证明在一个天体的引力场中，如果引力强大到能够把光都囚禁住，那么牛顿万有引力定律将不再适用，应该代之以一种新的理论，即广义相对论。另外，他还在狭义相对论中提出，任何物体的运动速度都不可能超过光速。因此，如果一个天体的引力大到连光也不能离开它，那么，在任何情况下，任何物体也都不可能逃离这个天体。爱因斯坦的引力理论以一个高等数学方程的形式给出。

1916年，德国天文学家史瓦西求解广义相对论得到一个不可思议的解。后来才知道，那就是具有强大引力，连光也会被吞噬的天体“黑洞”。爱因斯坦的广义相对论认为引力是时空弯曲造成的。根据爱因斯坦的广义相对论，当致密天体的全部质量都压缩到某一范围内时，它周围的空间因为引力弯曲到任何物质和辐射都逃不出来时，便形成了黑洞。按照史瓦西的解，如果把一个天体的质量全部压缩到某一半径范围里，它周围的空间就会极度弯曲，使得引力强大到如拉普拉斯所说，任何物质和辐射都逃不出来。人们后来把这半径称为史瓦西半径。对于太阳质量，计算得到的史瓦西半径等于2.95千米;而对于地球质量，则半径为8.9毫米。按照史瓦西的解，在史瓦西半径范围内，空间和时间都丧失了原有的特征，用于测量距离和时间的规则也全都失效了，时间趋于无限，而距离变为0。英国天文学家艾丁顿就此说：“这种奇异的时空世界是我们无法在其中进行任何测量的怪物。”

蛛丝马迹，现出原形

1939年，物理学家奥本海默利用广义相对论方程，计算出了没有热核反应的大质量恒星经过引力坍缩，最终形成黑洞的真实过程。而这种“冷”恒星质量需达到一定程度（奥本海默极限）才能形成黑洞。根据奥本海默的理论，恒星形成黑洞有以下两个过程：恒星在结束热核反应后，经历超新星爆发，其核心质量仍大于奥本海默极限，则直接坍缩形成黑洞;恒星在结束热核反应后，经历超新星爆发，其核心质量小于奥本海默极限但形成中子星，外围残余物质又继续落向中子星，积累到大于奥本海默极限后，再度坍缩成黑洞。

黑洞模型在很长一段时间里被认为只是纯数学的推导。不过，现在天文学家经过经年累月的观测，已经获得许多这类黑洞的间接观测证据。就拿我们头顶的银河系中心的黑洞来说，十几年前科学家就发现有的恒星绕着银河系中间的某一个地方转了一圈，利用“开普勒三定律”就可以把中间的黑洞质量算出来。天文学家在20世纪60年代初发现了一种天体，它们在望远镜里看起来只是一个亮点，与恒星没有什么两样，可是离我们的距离达几十亿光年甚至更远。据此计算它们发射的能量，有的可以超过100个大星系的总和。它们所发射的能量，大部分来自于一个直径小于1光年的区域。这种天体被称为类星体，天文学家尚不能直接观测到类星体的中心究竟是什么，但按照理论模型，类星体很可能是正在形成中的星系的核心，它的中心处应该是个超大质量黑洞。体积足够小，而质量又大到能让恒星们围绕着旋转的唯一物体，就是超级黑洞，它的密度大到能吸进周围一切物体，甚至是光。

边吃边长，越大越强

黑洞本身不发光，但是它的强大引力场会与周围的物质相互发生作用，使得这些物质以极快的速度向黑洞坠落，获得能量从而温度升得极高，并且压缩到很高的密度。这些高温、高密度的物质，会发射出强大的紫外光和X射线。黑洞周围的物质向黑洞坠落时，不是遵循直线下落，而是漩涡式下落。这些物质会在黑洞周围形成一个薄圆盘，称为吸积盘。吸积盘内侧物质的运动速度可接近光速，部分物质不会落入黑洞，会沿着与吸积盘的盘面垂直的轴线方向逃逸出去，形成喷流。这种速度接近光速的喷流可以喷射到几百以至几千光年远，天文学家已经在许多类星体和星系的核心附近观测到这种喷流产生的痕迹。吸积盘中的物质，当然有很大一部分，最终落进了黑洞，黑洞因此会慢慢长大。黑洞吞噬周围物质的能力与黑洞本身的大小有关。黑洞质量越大，它的引力场就越强大，不仅在同样时间内能吞噬更多的物质，而且能够吞噬更远距离的物质。物质一旦掉进黑洞里面，就再也不可能逃逸出来了。

1975年，英国物理学家霍金经过计算发现，黑涧会缓慢地蒸发。黑洞的这种蒸发现象称为霍金輻射。霍金辐射会带走黑洞的能量，按照爱因斯坦的理论，能量和质量是等价的，它们可以互相转化。随着时间流逝，黑洞的质量越来越多地转化成能量蒸发掉，最终黑洞将会消失。黑洞蒸发的速度也与黑洞的质量有关，质量越小的黑洞，蒸发越快。很明显，如果黑洞很小，吞噬周围物质的能力就很弱，而且在近距离内没有足够多的物质供它吞噬长大，那么它很快就会消失。

黑洞存在于千万光年外，遍布整个宇宙，之前却从未在人类面前露出过真容。

人造黑洞，鸿沟难越

天文学家认为，每个星系都是在一个超大质量黑洞的周围建立起来的。现在，天文学家已经取得了比过去任何时候更强有力的证据，他们根据一个星系内恒星绕星系中心旋转的速度，可以推断出这个星系中心天体的质量。对于包括银河系在内的一些星系，已经测量出在它们中心只有太阳和地球间距离几倍大的空间中，集中了几百万、上千万倍太阳的质量，从而表明了在这空间中物质的密度极高，只可能是一个黑洞。这种超大质量黑洞不是单颗恒星内部的物质坍落形成的，而是星系形成过程的产物。

那么，我们能不能在实验室里制造黑洞呢？不论在实验室里，还是在理论上，目前还找不到一种方法，能够使物质的密度变得像黑洞那样高。可是，根据爱因斯坦的质能方程，当大量的能量集中于一点时，也应该会出现黑洞。科学家要在实验室里制造黑洞，只能循着这一途径。日内瓦欧洲原子核研究中心的大型强子对撞机，是世界上最强大的粒子加速器，它能以14万亿电子伏的撞击能量把质子打碎。这么强大的能量是不是已经足以生成一个哪怕非常微小的黑洞呢？很遗憾，按照我们原有的关于粒子以及粒子相互作用的知识，以这种方式制造一个黑洞的最小能量，是上述大型强子对撞机所能产生的能量的1亿亿倍。建造一个能够达到这么高能量的粒子加速器的可能性实际上永远为零。

黑洞是整个天文学和物理学最前沿的一个课题，就像所有新发现一样，这只是一个开始。中国2017年已经发射了第一颗X射线卫星，2021年会发射一颗爱因斯坦探针卫星，2025年会发射慧眼第二代卫星，这几颗卫星会为黑洞研究提供非常大的帮助。