文/丁傲西

　　北京時間2019年4月10日晚9點，全世界的天文學家破天荒的召開全球新聞發佈會，宣佈經過長達數年的努力，第一次將黑洞的照片拍攝下來。爲了得到這張照片（實際上還有多張照片仍在處理中），天文學家使用了分佈在全球的8個毫米/亞毫米波射電望遠鏡。在發佈會上，天文學家把這8個望遠鏡組合叫做“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope，EHT）。它們分佈在美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極，每年採集海量數據，利用後期處理最後勾勒出黑洞的模樣。

　　Credits: baidu baike

　　黑洞是怎麼形成的？

　　黑洞雖然叫做黑洞，但是它並不是黑色的，也不是一個洞。實際上在相當長的一段時間，黑洞一直存在於理論計算中，並沒有人能真正發現它。一般認爲，黑洞是恆星演化到末期的產物。我們知道，所有的恆星都是由氫元素核聚變所形成的，隨着聚變反應的不斷進行，恆星也在不斷向外釋放能量，同時在內部形成更重的元素。隨着恆星內部核聚變的不斷進行，恆星也將從幼年期、青年期、中年期一直向老年期發展。我們的太陽屬於中年期階段（也叫主序星），還可以繼續燃燒最少50億年。而一旦恆星走向死亡，就會根據恆星的質量生成三種不同的星體。

　　Credits: baidu baike

　　像太陽這樣的恆星（一般0.3-8個太陽質量）由於質量較小，死亡後會緩慢拋灑自身物質（行星狀星雲），同時核心將會變成白矮星。而像參宿四（獵戶座最有名的紅巨星）這樣的質量大於太陽8倍以上的恆星，則會在死亡前激烈的拋灑自身物質（極其猛烈的爆炸），形成新星或者是超新星現象。而剩下的核心則會因爲引力而坍縮成中子星，自身密度極高。而如果中子星自身還會高速旋轉，則會成爲宇宙中不斷髮射信號的“燈塔”，也被稱爲脈衝星。

　　如果恆星的質量急劇增大，甚至在激烈的爆炸後核心仍能存在10倍於太陽質量的物質，那麼這團物質將會因爲引力過大而成爲黑洞，不僅自身發出的光和熱無法逃脫，就連周圍的恆星物質也會被不斷吸收到黑洞內。由於黑洞本身不發出光和熱，單純使用望遠鏡並不能看到黑洞本身。

　　黑洞永遠不能被“看到”

　　那麼我們真的能“看到”黑洞麼？答案是否定的，黑洞本身是無法被看到的。以這次公開的M87星雲中的黑洞圖片爲例，黑洞位於距離地球5500萬光年的另一個星系室女座星系團中。由於這個黑洞的質量破天荒的達到了65億個太陽質量，強大的引力會對黑洞周圍的物質產生巨大的影響。

　　Credits: Event Horizon Telescope collaboration et al.

　　我們知道，一個物體從高處墜落，重力勢能會轉變成動能，最終體現在物體速度的提升中。如果黑洞周圍存在星際物質，或者有顆伴星非常靠近它，那麼黑洞強大的引力就會把這些物質吸過來。這些物質會環繞黑洞運動，形成一個環形的物質區域（學名叫吸積盤）。而物質被黑洞引力吸引，掉進黑洞的過程，正是動能急劇增加，摩擦力不斷增強的過程。劇烈的摩擦使物質溫度急劇增加，向外輻射出巨大的能量。同時由於黑洞自身強大的磁場作用，這些能量會沿着黑洞的磁場方向運動，最終從垂直於吸積盤的方向發射出來。一般來說，這部分能量會以X射線的方式射出，最終穿越數千萬光年的距離被地球上的探測器“看到”。

　　NASA’s NICER Mission Maps ‘Light Echoes’ of New Black Hole

　　https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-nicer-mission-maps-light-echoes-of-new-black-hole

　　不難看出，人們所拍下的黑洞照片，實際上是黑洞引力範圍內吸積盤所產生的輻射能量照片。而黑洞本身由於不發生光和熱，所以無法在照片上成像。根據推算，照片中黑色的區域仍比黑洞實際的大小要大得多。真正的黑洞長什麼樣可能我們永遠也無法得知。

　　發現黑洞有什麼用？

　　無論如何，這是人類第一次以照片的形式將黑洞存在的形式拍攝下來，這顯然是一個重要的時刻。可能有人會問了，黑洞離我們如此遙遠，研究它有什麼用呢？

　　實際上，黑洞作爲廣義相對論推導的產物，本身就有着極高的理論研究價值。在證明黑洞存在後，科學家可以利用黑洞周圍的引力場研究時空彎曲現象，找到引力和時空之間的聯繫。雖然在短時間內，這些研究並沒有太大的價值。但是隨着理論數據的積累，未來何嘗不能成爲穿越時空的理論基礎。宇宙是廣大的，僅靠化學燃料的推動只能實現小範圍的活動。如果可以打破時空的限制，利用“蟲洞”實現星際範圍的穿越，那麼人類的活動空間將會有着本質的改變。我們正處在一個知識大爆炸的時代，理論的積累和實踐的突破都將會在很短的時間內到來。不妨拭目以待，也許科幻片中的未來就是我們的明天。