本文來自“科普中國”，首發於“企鵝科學”公衆號，‘’科學松鼠會‘’經授權轉載。

　　北京時間 4 月 10 日晚 9 點，天文學家宣佈，他們利用“事件視界望遠鏡”獲得的數據，成功地提取出 5500 萬光年外的一個超大質量黑洞的照片。這是人類首次直接獲得的黑洞照片，對天文學和理論物理學的研究有着重要的意義。

　　其實，我們在這張照片裏看到的那個黑乎乎的洞，並不是黑洞本體，而是“黑洞之影”。這到底是怎麼回事呢？今天我們就來說一說，這張黑洞照片背後的故事。

　　一、黑洞是什麼？

　　黑洞是愛因斯坦的廣義相對論中的一個概念。廣義相對論認爲，物質之所以會產生萬有引力，是因爲物質會把周圍的時空壓彎了。

　　如果由於某種原因，大量物質擠在一起，使得附近的時空彎曲得特別厲害，以致於任何粒子掉進去以後永遠都無法跑出來，那麼，這片時空區域就形成了一個黑洞。也就是說，黑洞是時空彎曲太厲害時所形成的一個“孔洞“。

　　所以，黑洞最先是從理論物理學的角度提出來的，誰也沒見過真的黑洞。當物理學家提到黑洞時，他腦海中想到的東西其實這樣的，

　　這樣的，

　　還有這樣的，

　　總之，你在科普書籍中看到的黑洞的樣子，要麼是物理學家腦補的，要麼是計算機用公式模擬出來的。要想親眼看一看真正的黑洞，我們還得靠天文學家來拍照片。

　　二、黑洞真的存在嗎？

　　既然誰也沒有見過黑洞，天文學家又是怎麼斷定天上一定存在黑洞呢？這就要說到天文學家腦海中的黑洞了。

　　在天文學家的腦海中，黑洞不是一個孤零零的“時空孔洞”。在黑洞周圍，有時會有大量恆星。通過分析恆星運動的速度和軌跡，天文學家可以推斷其中是否存在黑洞。

　　原視頻作者：加州大學洛杉磯分校Andrea Ghez團隊

　　事件視界望遠鏡所拍攝的其中一個黑洞——人馬座A* 黑洞，就是夜空中多顆恆星高速環繞的一個像素點（此次發佈會尚未公佈該黑洞的照片）。

　　此外，黑洞周圍還常常會有大量塵埃和氣體。

　　當它們從很遠的地方向黑洞掉落時，會相互摩擦發光發熱。有時還會形成噴流，產生大量伽馬射線、X 射線、射電波等光學信號。

　　天文學家認定的第一個黑洞（天鵝座 X-1），就是夜空中不斷髮出 X 射線的一個像素點。

　　（注：天鵝座 X-1的X射線影像）

　　事件視界望遠鏡所公佈的來自 M87 星系中心的黑洞（M87*），最初就是天文學家通過觀測噴流產生的射電波發現的。

　　（注：這是哈勃望遠鏡拍攝的M87星系和它中心產生的噴流。）

　　天文學家認爲，M87* 黑洞是一顆超大質量黑洞，它的質量大約是太陽的 65 億倍，直徑大約 400 億千米，比太陽系八大行星範圍還要大。

　　即便如此，由於 M87* 黑洞距離我們 5500 萬光年，它在照片中的顯現範圍也只有 0.0003 角秒，相當於在地球上觀察月亮上的一部手機。

　　在人類現有的觀測技術下，M87* 黑洞在照片中原本也只能佔據一個像素的大小。那麼，天文學家是如何從1個像素中提取出 M87* 黑洞照片的呢？

　　三、 如何把像素點變成照片？

　　根據光學原理，一個相機的鏡頭越大，它的理論分辨率就越高。爲了看清楚黑洞的樣子，天文學家心想，乾脆一不做二不休，直接造一個跟地球一樣大的望遠鏡。

　　可是，根據經濟學原理，一個相機的鏡頭越大，價格也就越高。跟地球一樣大的望遠鏡，把地球賣了也造不起。這可怎麼辦呀？

　　天文學家想到一個好辦法：雖然我造不起超大型號望遠鏡，我可以讓小號的望遠鏡組團啊！

　　於是，爲了把 M87* 黑洞的像素點變成一張高清無碼大圖，天文學家聯合了全世界 8 個射電望遠鏡項目，讓它們組成了一個跟地球一樣大的虛擬望遠鏡，叫作事件視界望遠鏡。

　　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。

　　功夫不負有心人，事件視界望遠鏡在 2017 年的 4 月，對着 M87* 黑洞連着拍了 好幾個晚上，獲得了大量觀測數據。天文學家經過近 2 年的分析，終於從1個像素中提取出了黑洞的照片。

　　四、黑洞照片有什麼看頭？

　　千萬不要以爲這張黑洞的照片就是一張普通照片，這裏面大有看頭。

　　首先，黑洞照片拍到的黑影其實不是黑洞本體，而是黑洞之影（black hole shadow）。

　　原理是這樣的。假設你用一組探照燈對着黑洞照，黑洞的引力會把其中一部分光吞進去，形成一團黑影。根據廣義相對論，這個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的，我們只能根據照片上黑洞之影的特徵，大致將黑洞實際的大小估算出來。

　　其次，雖然黑洞是圓形的，但黑洞之影卻不一定是圓形的。根據廣義相對論，如果黑洞自轉速度很快，你看到的黑洞之影就可能變成下面這種樣子。

　　第三，由於黑洞周圍存在很多發光的塵埃和氣體，它們會在黑洞周圍形成一個扁平的環。基於同樣的原因，如果黑洞自轉速度很快，這個環的一側會變得更明亮，另一側會變得更暗淡。

　　於是，我們看到的 M87* 黑洞就是這樣一箇中間有個不太圓的洞，周圍有個不對稱的光環的怪樣子。

　　那麼，這張人類第一次拍到的黑洞之影的照片，到底有什麼用呢？

　　俗話說，實驗是檢驗理論的金標準嘛。

　　正是有了這張黑洞照片，天文學家才能從中推斷 M87* 黑洞到底有多重，轉速有多快，轉動方向是哪裏，周圍的塵埃和氣體處於什麼狀態，跟之前用其他手段間接推測的結果是否一致。

　　根據天文學家的分析結果，M87*黑洞和它周圍的塵埃、氣體可能都是躺着自轉的，而且它們的“南極”幾乎是正對着我們的，如下圖的左上角所示。

　　並且，天文學家發現，照片所呈現的信息與廣義相對論的預言基本相符。

　　此時，物理學家也能長長地鬆一口氣：他們坐在辦公室裏推導出來這樣那樣的公式，最終還是經受住了實踐的檢驗！

　　作者：Sheldon

　　繪製：Mirror、黃呆

　　鳴謝：逸凡

　　審稿人

　　高爽，天體物理學博士，科普作家

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