[科普中国]-黑洞首张照片公布：漫画解读“黑洞之影”

本文首发于腾讯科普企鹅号“科普中国头条创作与推送”。北京时间4月10日晚9点，天文学家宣布，他们利用“事件视界望远镜”获得的数据，成功地提取出5500万光年外的一个超大质量黑洞的照片。这是人类首次直接获得的黑洞照片，对天文学和理论物理学的研究有着重要的意义。其实，我们在这张照片里看到的那个黑乎乎的洞，并不是黑洞本体，而是“黑洞之影”。这到底是怎么回事呢？今天我们就来说一说，这张黑洞照片背后的故事。黑洞是什么？黑洞是爱因斯坦的广义相对论中的一个概念。广义相对论认为，物质之所以会产生万有引力，是因为物质会把周围的时空压弯了。如果由于某种原因，大量物质挤在一起，使得附近的时空弯曲得特别厉害，以致于任何粒子掉进去以后永远都无法跑出来，那么，这片时空区域就形成了一个黑洞。也就是说，黑洞是时空弯曲太厉害时所形成的一个“孔洞“。所以，黑洞最先是从理论物理学的角度提出来的，谁也没见过真的黑洞。当物理学家提到黑洞时，他脑海中想到的东西其实这样的，这样的，还有这样的，总之，你在科普书籍中看到的黑洞的样子，要么是物理学家脑补的，要么是计算机用公式模拟出来的。要想亲眼看一看真正的黑洞，我们还得靠天文学家来拍照片。黑洞真的存在吗？既然谁也没有见过黑洞，天文学家又是怎么断定天上一定存在黑洞呢？这就要说到天文学家脑海中的黑洞了。在天文学家的脑海中，黑洞不是一个孤零零的时空孔洞。在黑洞周围，有时会有大量恒星。通过分析恒星运动的速度和轨迹，天文学家可以推断其中是否存在黑洞。事件视界望远镜所拍摄的其中一个黑洞——人马座A* 黑洞，就是夜空中多颗恒星高速环绕的一个像素点（此次发布会尚未公布该黑洞的照片）。此外，黑洞周围还常常会有大量尘埃和气体。当它们从很远的地方向黑洞掉落时，会相互摩擦发光发热。有时还会形成喷流，产生大量伽马射线、X 射线、射电波等光学信号。天文学家认定的第一个黑洞（天鹅座 X-1），就是夜空中不断发出 X 射线的一个像素点。事件视界望远镜所公布的来自 M87 星系中心的黑洞（M87*），最初就是天文学家通过观测喷流产生的射电波发现的。天文学家认为，M87* 黑洞是一颗超大质量黑洞，它的质量大约是太阳的 65 亿倍，直径大约 400 亿千米，比太阳系八大行星范围还要大。即便如此，由于 M87* 黑洞距离我们 5500 万光年，它在照片中的显现范围也只有 0.0003 角秒，相当于在地球上观察月亮上的一部手机。在人类现有的观测技术下，M87* 黑洞在照片中原本也只能占据一个像素的大小。那么，天文学家是如何从1个像素中提取出 M87* 黑洞照片的呢？如何把像素点变成照片？根据光学原理，一个相机的镜头越大，它的理论分辨率就越高。为了看清楚黑洞的样子，天文学家心想，干脆一不做二不休，直接造一个跟地球一样大的望远镜。可是，根据经济学原理，一个相机的镜头越大，价格也就越高。跟地球一样大的望远镜，把地球卖了也造不起。这可怎么办呀？天文学家想到一个好办法：虽然我造不起超大型号望远镜，我可以让小号的望远镜组团啊！于是，为了把 M87* 黑洞的像素点变成一张高清无码大图，天文学家联合了全世界 8 个射电望远镜项目，让它们组成了一个跟地球一样大的虚拟望远镜，叫作事件视界望远镜。其中，“事件视界”指的就是你在科普插图中看到的黑洞的外轮廓。功夫不负有心人，事件视界望远镜在 2017 年的 4 月，对着 M87* 黑洞连着拍了 好几个晚上，获得了大量观测数据。天文学家经过近 2 年的分析，终于从1个像素中提取出了黑洞的照片。黑洞照片有什么看头？千万不要以为这张黑洞的照片就是一张普通照片，这里面大有看头。首先，黑洞照片拍到的黑影其实不是黑洞本体，而是黑洞之影（black hole shadow）。原理是这样的。假设你用一组探照灯对着黑洞照，黑洞的引力会把其中一部分光吞进去，形成一团黑影。根据广义相对论，这个黑影通常要比黑洞大两三倍。这就是黑洞之影。所以，真正的黑洞是看不见的，我们只能根据照片上黑洞之影的特征，大致将黑洞实际的大小估算出来。其次，虽然黑洞是圆形的，但黑洞之影却不一定是圆形的。根据广义相对论，如果黑洞自转速度很快，你看到的黑洞之影就可能变成下面这种样子。第三，由于黑洞周围存在很多发光的尘埃和气体，它们会在黑洞周围形成一个扁平的环。基于同样的原因，如果黑洞自转速度很快，这个环的一侧会变得更明亮，另一侧会变得更暗淡。于是，我们看到的 M87* 黑洞就是这样一个中间有个不太圆的洞，周围有个不对称的光环的怪样子。那么，这张人类第一次拍到的黑洞之影的照片，到底有什么用呢？俗话说，实验是检验理论的金标准嘛。正是有了这张黑洞照片，天文学家才能从中推断 M87* 黑洞到底有多重，转速有多快，转动方向是哪里，周围的尘埃和气体处于什么状态，跟之前用其他手段间接推测的结果是否一致。根据天文学家的分析结果，M87*黑洞和它周围的尘埃、气体可能都是躺着自转的，而且它们的“南极”几乎是正对着我们的，如下图的左上角所示。并且，天文学家发现，照片所呈现的信息与广义相对论的预言基本相符。此时，物理学家也能长长地松一口气：他们坐在办公室里推导出来这样那样的公式，最终还是经受住了实践的检验！作者：Sheldon绘制：Mirror、黄呆鸣谢：逸凡审稿：高爽，天体物理学博士，科普作家联合推出腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队Sheldon科学漫画工作室转载请注明来自科普中国