咔嚓，给黑洞拍个照

侯宏伟

近日，由中国科学院上海天文台路如森研究员领导的一个来自17 个国家和地区的国际研究团队，首次对射电星系M87 的黑洞以及周围环状结构和喷流拍摄了“全景”照片。

黑洞到底是什么？为什么要给黑洞拍照？怎么给黑洞拍照？……带着这些问题，我们专访路如森研究员，从关于黑洞的预言谈起，解密黑洞的本质。

《光明少年》：黑洞是怎么被发现的？

路如森：黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种天体。

怎么寻找黑洞存在的证据？科学家通过各种办法，比如通过观察它们对附近的恒星和气体的影响来探测它们。为黑洞拍照就是办法之一。假如人们发现恒星围绕着一个看不见的东西绕转，就可以推断，它所绕转的中间有一个质量很大的天体，也就是黑洞。

怎么测量黑洞质量呢？黑洞本身不发光，但是恒星发光，通过观测这些恒星围绕黑洞绕转的轨道，我们就能知道中心黑洞的质量。这是测量黑洞质量的办法之一。天文学家目前认为，几乎所有星系的中心都存在一个质量高达数百万倍甚至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞，也包括我们的银河系。

《光明少年》：黑洞到底是什么？

路如森：黑洞其实是时空中的一个区域，有着极强的引力。有多强呢？我们知道，光是跑得最快的，如果连光都跑不出来，其他东西就更跑不出来了。正是因为光跑不出来，无法到达人的眼睛或者被仪器探测到，所以被形象地称为“黑洞”。

“牛顿大炮设想 ”你听说过吗？牛顿说，要是在地球上发射一个大炮，炮弹的速度越快，跑出去的距离就越远，如果速度特别快，炮弹有可能就回不来了。我们在地球上发射卫星就是这个道理，卫星的发射速度达到一定程度后，会绕着地球旋转，也有可能脱离地球引力。在黑洞中，光就像是“炮弹”，但是它的速度不足以逃脱黑洞的束缚。因此，我们几乎可以认为黑洞能“吃”一切。

《光明少年》：为什么会选择为M87星系黑洞拍照？给黑洞拍照片和普通照相有什么不同？

路如森：我们的观测能力有限，所以需要选择一个相对比较容易拍到的黑洞。拍摄M87 星系黑洞主要是因为它大、近、亮。M87 黑洞大约是太阳质量的65 亿倍，同时它也离我们比较近。

给黑洞拍照和用相机、手机拍照最大的不同是使用不同波段的光。相机、手机是在可见光下拍摄，而给黑洞拍照使用的是高频“射电光”。“射电光”是什么呢？我们知道，红外相机利用热敏感拍照，医院用X射线拍片子，还用伽马射线做手术……高频“射电光”和红外线、X射线、伽马射线都属于电磁波，只不过分别处于不同波段。

另一个不同，就是给黑洞拍照不是立等可取，而是采用干涉成像，就和在医院拍片子一样需要技术处理采集到的信号，然后成像一样。这是一个漫长的过程。我们为M87星系黑洞拍照是在2018 年4 月，但是处理信号、成像、做出理论解释写成论文，用了整整5 年。

《光明少年》：宇宙中到底有多少个黑洞？ 为什么要研究黑洞？

路如森：我们不知道宇宙中有多少个黑洞，就像我们无法知道海滩上有多少粒沙子一样。

黑洞大致分三类：恒星级黑洞、超大质量级黑洞和介于这两种之间的中等质量黑洞。目前普遍认为每个星系的中心都存在一个超大质量黑洞，他们的质量可高达太阳质量的一百万倍以上。我们人类所居的银河系中心也有一个。恒星级黑洞的质量是太阳质量的几倍至几十倍，在银河系可能有上亿个。整个宇宙，除了银河系还有很多其他星系，所以，很难具体数清楚到底有多少个黑洞。

很多人对黑洞感兴趣是出于好奇。而科学家研究黑洞，是为了探究基本的物理理论。17 世纪，牛顿提出三大定律，后来人们逐渐发现，有些情况下这些理论并不适用，进而开始寻找新的、适用范围更广的理论，于是，在20 世纪初诞生了爱因斯坦的广义相对论。现在，距离广义相对论的提出已经100 多年，它能用来解释一切吗？未必，但这需要在一些极其特殊的环境下来验证它。黑洞就是这样一种极其特殊的环境。这对我们探求更先进的、能够普适于更多场景的物理理论是很重要的。

《光明少年》：这次拍到的黑洞全景照有什么特别的地方？

路如森：2019 年曾公布过人类拍到的第一张黑洞照片，它看上去就像个“甜甜圈”，那也是M87 星系黑洞。与之相比，这次拍出的黑洞照片中，“甜甜圈”更大、更厚，而且照片中有喷流。

其实，在观测手段还不怎么先进的1918 年，人们就观测到了M87 星系的喷流，但是一直以来，无法把它和黑洞拍在一张照片上。它特别长，距离地球约5500 光年，这次我们采用更加先进的观测手段，让M87 黑洞和它旁边的喷流终于呈现在一张图像中。

《光明少年》：很多青少年对探索宇宙特别感兴趣，请您给小天文迷一些建议。

路如森：我建议孩子们多读书， 勤动脑思考、多提问题，尤其要敢于质疑。

科研机构经常会开展科普活动，孩子们也要抓住机会积极参加，从一线科研人员那里了解最新的科学进展、研究成果，相比教材上的知识或网络上的信息，这些可都是最新鲜也是最精准的科学知识呢。