黑洞：在你朋友圈刷屏的，其實(shí)是我?guī)洑獾挠白?！| 漫畫
本文來(lái)自科普中國(guó)，首發(fā)于騰訊科普企鵝號(hào)“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送”，“賽先生”經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載
北京時(shí)間 4 月 10 日晚 9 點(diǎn)，天文學(xué)家宣布，他們利用“事件視界望遠(yuǎn)鏡”獲得的數(shù)據(jù)，成功地提取出 5500 萬(wàn)光年外的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的照片。這是人類首次直接獲得的黑洞照片，對(duì)天文學(xué)和理論物理學(xué)的研究有著重要的意義。
其實(shí)，我們?cè)谶@張照片里看到的那個(gè)黑乎乎的洞，并不是黑洞本體，而是“黑洞之影”。這到底是怎么回事呢？今天我們就來(lái)說(shuō)一說(shuō)，這張黑洞照片背后的故事。
一、黑洞是什么？
黑洞是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中的一個(gè)概念。廣義相對(duì)論認(rèn)為，物質(zhì)之所以會(huì)產(chǎn)生萬(wàn)有引力，是因?yàn)槲镔|(zhì)會(huì)把周圍的時(shí)空壓彎了。
如果由于某種原因，大量物質(zhì)擠在一起，使得附近的時(shí)空彎曲得特別厲害，以致于任何粒子掉進(jìn)去以后永遠(yuǎn)都無(wú)法跑出來(lái)，那么，這片時(shí)空區(qū)域就形成了一個(gè)黑洞。也就是說(shuō)，黑洞是時(shí)空彎曲太厲害時(shí)所形成的一個(gè)“孔洞“。
所以，黑洞最先是從理論物理學(xué)的角度提出來(lái)的，誰(shuí)也沒(méi)見(jiàn)過(guò)真的黑洞。當(dāng)物理學(xué)家提到黑洞時(shí)，他腦海中想到的東西其實(shí)這樣的，
這樣的，
還有這樣的，
總之，你在科普書(shū)籍中看到的黑洞的樣子，要么是物理學(xué)家腦補(bǔ)的，要么是計(jì)算機(jī)用公式模擬出來(lái)的。要想親眼看一看真正的黑洞，我們還得靠天文學(xué)家來(lái)拍照片。
二、黑洞真的存在嗎？
既然誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)黑洞，天文學(xué)家又是怎么斷定天上一定存在黑洞呢？這就要說(shuō)到天文學(xué)家腦海中的黑洞了。
在天文學(xué)家的腦海中，黑洞不是一個(gè)孤零零的時(shí)空孔洞。在黑洞周圍，有時(shí)會(huì)有大量恒星。通過(guò)分析恒星運(yùn)動(dòng)的速度和軌跡，天文學(xué)家可以推斷其中是否存在黑洞。
原視頻作者：加州大學(xué)洛杉磯分校Andrea Ghez團(tuán)隊(duì)
事件視界望遠(yuǎn)鏡所拍攝的其中一個(gè)黑洞——人馬座A* 黑洞，就是夜空中多顆恒星高速環(huán)繞的一個(gè)像素點(diǎn)（此次發(fā)布會(huì)尚未公布該黑洞的照片）。
此外，黑洞周圍還常常會(huì)有大量塵埃和氣體。
當(dāng)它們從很遠(yuǎn)的地方向黑洞掉落時(shí)，會(huì)相互摩擦發(fā)光發(fā)熱。有時(shí)還會(huì)形成噴流，產(chǎn)生大量伽馬射線、X 射線、射電波等光學(xué)信號(hào)。
天文學(xué)家認(rèn)定的第一個(gè)黑洞（天鵝座 X-1），就是夜空中不斷發(fā)出 X 射線的一個(gè)像素點(diǎn)。
（注：天鵝座 X-1的X射線影像）
事件視界望遠(yuǎn)鏡所公布的來(lái)自 M87 星系中心的黑洞（M87*），最初就是天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)噴流產(chǎn)生的射電波發(fā)現(xiàn)的。
（注：這是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的M87星系和它中心產(chǎn)生的噴流。）
天文學(xué)家認(rèn)為，M87* 黑洞是一顆超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的 65 億倍，直徑大約 400 億千米，比太陽(yáng)系八大行星范圍還要大。
即便如此，由于 M87* 黑洞距離我們 5500 萬(wàn)光年，它在照片中的顯現(xiàn)范圍也只有 0.0003 角秒，相當(dāng)于在地球上觀察月亮上的一部手機(jī)。
在人類現(xiàn)有的觀測(cè)技術(shù)下，M87* 黑洞在照片中原本也只能占據(jù)一個(gè)像素的大小。那么，天文學(xué)家是如何從1個(gè)像素中提取出 M87* 黑洞照片的呢？
三、 如何把像素點(diǎn)變成照片？
根據(jù)光學(xué)原理，一個(gè)相機(jī)的鏡頭越大，它的理論分辨率就越高。為了看清楚黑洞的樣子，天文學(xué)家心想，干脆一不做二不休，直接造一個(gè)跟地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡。
可是，根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，一個(gè)相機(jī)的鏡頭越大，價(jià)格也就越高。跟地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡，把地球賣了也造不起。這可怎么辦呀？
天文學(xué)家想到一個(gè)好辦法：雖然我造不起超大型號(hào)望遠(yuǎn)鏡，我可以讓小號(hào)的望遠(yuǎn)鏡組團(tuán)??！
于是，為了把 M87* 黑洞的像素點(diǎn)變成一張高清無(wú)碼大圖，天文學(xué)家聯(lián)合了全世界 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，讓它們組成了一個(gè)跟地球一樣大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，叫作事件視界望遠(yuǎn)鏡。
其中，“事件視界”指的就是你在科普插圖中看到的黑洞的外輪廓。
功夫不負(fù)有心人，事件視界望遠(yuǎn)鏡在 2017 年的 4 月，對(duì)著 M87* 黑洞連著拍了 好幾個(gè)晚上，獲得了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。天文學(xué)家經(jīng)過(guò)近 2 年的分析，終于從1個(gè)像素中提取出了黑洞的照片。
四、黑洞照片有什么看頭？
千萬(wàn)不要以為這張黑洞的照片就是一張普通照片，這里面大有看頭。
首先，黑洞照片拍到的黑影其實(shí)不是黑洞本體，而是黑洞之影（black hole shadow）。
原理是這樣的。假設(shè)你用一組探照燈對(duì)著黑洞照，黑洞的引力會(huì)把其中一部分光吞進(jìn)去，形成一團(tuán)黑影。根據(jù)廣義相對(duì)論，這個(gè)黑影通常要比黑洞大兩三倍。這就是黑洞之影。
所以，真正的黑洞是看不見(jiàn)的，我們只能根據(jù)照片上黑洞之影的特征，大致將黑洞實(shí)際的大小估算出來(lái)。
其次，雖然黑洞是圓形的，但黑洞之影卻不一定是圓形的。根據(jù)廣義相對(duì)論，如果黑洞自轉(zhuǎn)速度很快，你看到的黑洞之影就可能變成下面這種樣子。
第三，由于黑洞周圍存在很多發(fā)光的塵埃和氣體，它們會(huì)在黑洞周圍形成一個(gè)扁平的環(huán)?；谕瑯拥脑?，如果黑洞自轉(zhuǎn)速度很快，這個(gè)環(huán)的一側(cè)會(huì)變得更明亮，另一側(cè)會(huì)變得更暗淡。
于是，我們看到的 M87* 黑洞就是這樣一個(gè)中間有個(gè)不太圓的洞，周圍有個(gè)不對(duì)稱的光環(huán)的怪樣子。
那么，這張人類第一次拍到的黑洞之影的照片，到底有什么用呢？
俗話說(shuō)，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的金標(biāo)準(zhǔn)嘛。
正是有了這張黑洞照片，天文學(xué)家才能從中推斷 M87* 黑洞到底有多重，轉(zhuǎn)速有多快，轉(zhuǎn)動(dòng)方向是哪里，周圍的塵埃和氣體處于什么狀態(tài)，跟之前用其他手段間接推測(cè)的結(jié)果是否一致。
根據(jù)天文學(xué)家的分析結(jié)果，M87* 黑洞和它周圍的塵埃、氣體可能都是躺著自轉(zhuǎn)的，而且它們的“南極”幾乎是正對(duì)著我們的，如下圖的左上角所示。
并且，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，照片所呈現(xiàn)的信息與廣義相對(duì)論的預(yù)言基本相符。
此時(shí)，物理學(xué)家也能長(zhǎng)長(zhǎng)地松一口氣：他們坐在辦公室里推導(dǎo)出來(lái)這樣那樣的公式，最終還是經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)！
作者：Sheldon
繪制：Mirror、黃呆
鳴謝：逸凡
審稿：高爽，天體物理學(xué)博士，科普作家
聯(lián)合推出：
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