初识黑洞

黑洞这个概念的提出可以回溯到1783年，威廉·赫歇尔的朋友米歇尔提出了一个“设想”，如果一颗恒星具有足够大的质量和极高密度，它的引力场会非常强大，任何从恒星表面发出的光还没到达远处，就会被恒星的引力场全部拉回。从它那里发出的光不会到达地球，我们也就看不到它，米歇尔称其为“暗星”。这跟我们现在说的黑洞非常接近了。黑洞就是这样的天体，它的引力如此之大，以至于光都无法逃脱它的吸引。

▲有质量的物体对空间的扭曲（图片来源：激光干涉引力波天文台）

米歇尔提出“暗星”概念后100多年，1916年史瓦西计算出黑洞的视界半径（也称为史瓦西半径），它与质量有关。比如与地球质量相当的黑洞的史瓦西半径只有9毫米，如果把地球压缩成半径9毫米以内的球，地球也可以成为一个黑洞。

能被观测到的黑洞不会“默不作声”，它会和周围的物体、环境发生相互作用，向外发出信息。如果我们对黑洞有一定了解，就可以通过这些信息知道它在哪里，它长什么样子。

一个正在吞噬伴星物质的黑洞的引力很强，在其势力范围内，天体的尘埃、气体都会被它吸引。这些被吸引的物质盘旋在黑洞的周围，形成一个扁平的明亮的吸积盘，最终进入黑洞内部。进入黑洞的物质被撕碎，形成垂直于吸积盘平面的喷流。

▲正在吞噬伴星的黑洞

虽然我们不能直接“看见”黑洞，但是可以利用黑洞对周围时空的影响、吸积盘、喷流等现象间接发现它的存在。大致来说，寻找黑洞的手段有4种，分别为X射线、引力波、伴星运动和引力透镜效应。

寻找黑洞之旅

X射线

X射线是一种波长很短的电磁辐射。黑洞在吸引密近伴星物质的时候会喷射出高能量X射线和伽玛射线。黑洞研究历史上著名的天鹅座X-1就是一个超强X射线源。

天鹅座X-1位于天鹅座方向的双星系统，距离地球约7240光年，由一颗致密星（主星）和蓝超巨星（伴星）组成（蓝超巨星是恒星的一种）。在X射线波段下观测，蓝超巨星不见了，一个巨大的吸积盘显现出来，中心很明亮，表明那里的X射线很强。

20世纪70年代，霍金和索恩打了一个赌，关于这个致密天体是中子星还是黑洞，霍金认为是中子星，索恩认为是黑洞。后来的观测表明，该致密天体的质量相当于太阳质量的21倍，而中子星的最大质量不会超过太阳质量的3倍。其结果就是，霍金输了。到了20世纪90年代，越来越多的证据证明这就是一个黑洞。

引力波

爱因斯坦根据广义相对论预言了引力波的存在，近百年后，2015年9月14日美国的LIGO成功探测到了引力波信号，这是人类首次观测到引力波信号，它来自两个恒星级质量黑洞的合并事件。两个相距几十千米的黑洞（质量分别为太阳质量的36倍和29倍）相互旋转，速度越来越快，靠得越来越近，最终碰到一起，合并后质量为太阳质量的62倍。在两个黑洞相互缠绕旋转的过程中，搅动起时空的涟漪，巨大的能量通过引力波向四周传播。三位美国科学家因此获得2017年的诺贝尔物理学奖。

▲2017年诺贝尔物理学奖获得者

伴星运动

黑洞本身并不发光，我们无法“看见”黑洞本身，但是黑洞强大的引力会影响周围天体的运动，目前探测到的恒星级质量黑洞都是拥有伴星的黑洞。

科学家们在长期观测银河系恒星运动时，发现银河系中央区域的恒星轨道都绕开了一个区域，那里有一个神秘的且看不见的天体牵引着恒星围绕它运动。他们猜测，这个神秘的天体就是黑洞。2020年诺贝尔物理学奖的一半就授予了发现银河系中心超大质量致密天体的两位科学家根策尔和盖兹。计算推测，银河系的中心的这个黑洞的质量相当于400万个太阳质量。2022年，事件视界望远镜合作组织还给银河系中心黑洞人马座A*（Sgr A*）拍了照片。

科学家们在几十个河外星系的中心都发现了超大质量黑洞，在超大质量黑洞周围，恒星们绕着它运动，通过恒星们运行的轨迹可以推知黑洞的大小。超大质量黑洞动辄有百万个太阳质量那么大，它不可能来自恒星的死亡，它的形成至今还是一个谜。

引力透镜效应

黑洞虽然神秘，但还是会露出一些“蛛丝马迹”。它牵引伴星围绕它运动，我们观测伴星运动可以找到它；它吸食伴星物质放出X射线等电磁辐射，这些辐射会被各种波段的望远镜等探测器探测到；两个黑洞合并前激起的引力波会被引力波探测器捕捉到；受扭曲时空影响的光的路径，同样会暴露它的位置，比如引力透镜效应。

▲图 由于引力透镜效应，背景星系形成多个像

最早发现引力透镜效应的是在美国亚利桑那州基特峰国立天文台工作的科学家们，他们用口径2.1米的光学望远镜观测到了“两”个靠得很近的类星体（QSO0957+561A和QSO0957+561B），二者视角相距只有6秒。这“两”个类星体的光谱、射电流密度都非常相似，最后科学家们确认这“两”个类星体其实是由一个实体产生的两个虚像。

目前科学家已经发现了数百个引力透镜，引力透镜一个很重要的作用是能帮助我们窥视宇宙的更深处，看到更遥远的天体。理论上，任何天体都会扭曲周围的时空形成引力透镜，但只有当“引力透镜”扭曲能力足够强大，并且后面正好有可被观测的发光天体的时候，才能通过引力透镜效应发现黑洞。

如何给黑洞拍照？

我们已经介绍了4个间接寻找黑洞的方法，有没有可能直接给黑洞拍一张照片呢？科学家们已经想到了，2019年事件视界望远镜合作组织发布了人类历史上第一张真实的黑洞图像，这一张图像是由8个射电望远镜阵列联合拍摄的。

▲图 事件视界望远镜合作组织的8个射电望远镜阵列模拟出地球直径大小的望远镜，给黑洞拍照

事件视界望远镜合作组织的这8个射电望远镜阵列分布于全球6个地方，分别是位于南极的南极望远镜（SPT）；位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵（ALMA）和阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）；位于墨西哥的大型毫米波望远镜（LMT）；位于美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜（SMT）；位于美国夏威夷州的麦克斯韦望远镜（JCMT）和亚毫米波望远镜（SMA）；位于西班牙的30米毫米波望远镜（PV）。

被拍摄对象是M87星系（河外星系）中心的超大质量黑洞，距我们大约5400万光年。为什么不拍摄离我们更近的银河系中心的黑洞呢？那也是超大质量黑洞呀。原因有两点，一是，M87星系中心的黑洞活跃度远远高于银河系中心的黑洞，黑洞越活跃，它的吸积盘就越明亮，就更容易被观测到。二是，M87星系中心的黑洞质量更大，是银河系中心黑洞质量的1500多倍，虽然它离我们更远，但在地球上看来，这两个黑洞看起来都差不多大。综合考虑下来，就选择了更加容易观测的M87星系中心超大质量黑洞作为拍摄对象。

M87黑洞的拍摄展现了全球合作研究的新范式。2017年，8台射电望远镜同时连线观测，拍摄搜集的数据量相当大，共计5000万亿字节，存储这些数据的硬盘足足有半吨重。如此庞大的数据，依靠网络传输会是一个非常漫长的过程，实际上是通过空运将存储数据的硬盘送到研究所。处理这些数据最后将其拼接成照片花费了两年的时间。终于，2019年4月10日全球多地同时发布了这张来自不易的黑洞写真照片（如下图左上角所示），照片一发布，万众瞩目，有人说它像蜂窝煤球，有人说它像猫眼，有人说它像一个“甜甜圈”。可以说，第一张黑洞照片是天文学、物理学、计算机科学、算法科学等多学科领域专家努力协作的结果。

▲图 事件视界望远镜和它拍摄的黑洞照片

2021年3月，事件视界望远镜合作组织又发布了一张照片——M87超大质量黑洞的偏振光照片（如图左下角所示），比起两年前的照片，这张照片多了一些螺旋纹路，形似“曲奇”。新的“曲奇”与2019年的“甜甜圈”来自同一次成像观测，只是处理偏振图像花费的时间更长。黑洞的偏振图像包含了更多的信息，有助于科学家们更深入地理解黑洞周围的物理环境。

黑洞的强大引力不但吸引着周围的物质，也吸引着人类的好奇心。2022年5月事件视界望远镜合作组织发布了银河系中心的黑洞Sgr A*的首张照片。接下来，事件视界望远镜的镜头又将对准哪里呢？

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初识黑洞黑洞这个概念的提出可以回溯到1783年，威廉·赫歇尔的朋友米歇尔提出了一个“设想”，如果一颗恒星具有足