人类首张黑洞照片正式发布，爱因斯坦竟然叕对了

人类首张黑洞照片正式发布，有哪些重要意义？

图片：EHT

人类首张黑洞照片正式发布，有哪些主要意义？

刘博洋，天体物理学博士生

100 年前的 1919 年，爱丁顿远征西非不雅测日全食，验证了爱因斯坦的预言：质量确实可以令时空弯曲。

52 年前的 1967 年，惠勒第一次提出“黑洞”一词，用以指称一种只在理论上存在的，极端致密、令时空无限弯曲的天体。

2019 年 4 月 10 日，我们终于亲眼目睹黑洞存在的直接证据：横跨地球直径的 8 台千里镜强强联手，构成史诗般的“视界面千里镜”，送上了人类的第一张黑洞照片——

一个宿世纪的求索，我们终于比及了今天。

轻舟既过万重山，犹忆往昔峥嵘岁月稠。

——此刻请让我们一同回首，这张必将载入史册的珍贵影像，履历了如何漫长的百年酝酿。

目次：

一、爱因斯坦叕对了

二、黑洞真的存在吗

三、给黑洞画张素描

四、给黑洞拍张照片

爱因斯坦叕对了

1915 年，爱因斯坦用他天才的物理直觉，提出广义相对论，倾覆了人类对时空素质的认知。

我们可以借惠勒之言归纳综合广义相对论的精髓：“时空决议物质若何活动，物质决议时空若何弯曲。”

宇宙万物，原本被认为只是广袤时空舞台上的演员，在广相的宿世界里，却当作为舞台自己的建构师。

广义相对论给出良多主要的预言，此中良多在刚问宿世时，都显得过度千奇百怪，让人不敢相信。

然而100 年来，这些预言一一获得尝试和不雅测的证实，让爱氏取得物理学史中登峰造极的地位：

广义相对论预言，大质量天体味让四周的时空发生显著弯曲，布景星光行经此处，会跟着时空的弯曲而被偏折。

1919 年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿和同事，别离率领一支远征队赶赴巴西和西非，操纵日全食的贵重机会，测量太阳四周恒星的位置——对比星图，他们发现这些恒星的位置似乎稍微远离了日面，并且远离的幅度合适广义相对论的预言。

这是爱因斯坦提出广义相对论之后，第一个专门为验证广相预言而实施的主要不雅测。成果一出，立即让爱因斯坦名声大噪。

当天体质量更大、弯曲星光的效应更较着，中心的大质量天体就仿佛一个汇聚光线的凸透镜，让布景光源呈现扭曲、放大的多个虚像。广义相对论预言的这种现象，被称为“引力透镜”效应。

而引力透镜当作像在宇宙中已经被普遍发现：

1974 年，美国天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，利用那时宿世界上最大的单口径射电千里镜，位于美国波多黎各的 305 米阿雷西博千里镜，发现了一颗位于双星中的毫秒脉冲星。

广义相对论预言，两个天体彼此绕转时，会因为搅动时空、发出引力波而损掉轨道能量，让两颗星之间的距离趋于衰减。

两位天文学家发现，这颗脉冲星的脉冲达到时候系统性地慢慢偏移，而这种偏移刚好合适广义相对论预言中，双系统统因发出引力波而发生轨道衰减的环境。

这是对广义相对论的一次严酷查验。赫尔斯、泰勒二人凭借这一发现获得了 1993 年诺贝尔物理学奖。

2015 年，美国激光干与引力波天文台（LIGO）更是第一次直接探测到双黑洞并合事务发生的引力波：

促当作这一发现的几位物理学家几乎当即斩获了 2017 年诺贝尔物理学奖。

更不消说，我们每小我手中应用着卫星定位系统的电子设备，全都受益于广义相对论：若是不合错误地球引力及卫星活动的广义相对论时延效应进行更正，卫星定位系统将完全无法给出准确位置。

祝贺你，已经多次当作功介入广义相对论的尝试查验。

对广相查验汗青有乐趣的读者可以进一步参考：这篇文献

黑洞真的存在吗

1916 年，广义相对论提出仅仅一年之后。

一个名叫卡尔·史瓦西的德国天文学家，在第一次宿世界大战的火线战地病院卧病时，写下一篇摸索广义相对论的论文。

他给出广义相对论中描述时空性质的“爱因斯坦场方程”的第一个切确解。他指出，对于任何物体，都有一个与其质量相对应的半径，若是将其全数质量压缩到这个半径内，这些物质就将无止尽的标的目的中间失落落，形当作一个时空极端弯曲的奇点。

这个半径，后来被称作“史瓦西半径”。任何物质，包罗光，都无法从史瓦西半径内逃出。

若是这个极端不成思议的预言也能获得证实，无疑将会是广义相对论的又一座丰碑。

但一起头，天文学家不相信天然界可以发生那么致密的天体。

1931 年，印度裔天文学家钱德拉塞卡指出，小恒星演化的遗骸、靠电子简并压维持存在的致密天体白矮星，一旦质量跨越 1.4 倍太阳质量，就无法继续依靠电子简并压而维持存在，势必继续坍缩为中子星。

1939 年，美国理论物理学家奥本海默等人又指出，傍边子星的质量跨越某一极限（按照 LIGO 引力波不雅测的成果，这个极限今朝被认为是 2.17 倍太阳质量），就连中子简并压也无法维持中子星的存在，超重的中子星也必然继续坍缩下去——并且似乎没有什么力量可以再反对这种坍缩。

看来宇宙似乎有法子把物质压进史瓦西半径以内。

但“奇点”这个让物理学掉效的处所，却让一些理论物理学家寝食难安。惠勒一度质疑，形当作奇点之后，原先的物质为何可以酿成一个无物质的几何点。

跟着理论研究的深切，物理学界逐渐廓清疑虑、成立了对这种极端天体各项性质的共识，它也于 1967 年被惠勒正式定名为“黑洞”；但来自一些非本家儿流科学家的贰言也始终存在，他们不竭试图用黑洞之外的理论描述致密天体的终局。

跟着一系列简介天文不雅测证据的呈现，黑洞学说的事实根本逐渐坚实起来：

1972 年，美国天文学家利用探空火箭搭载的 X 射线探测器，发现了位于天鹅座的一个强 X 射线源，天鹅座 X-1。

黑洞当作为诠释宇宙中强 X 射线源形当作机制的一把钥匙：

若是黑洞这样的致密天体位于一对密近双星中，它将掠食伴星的物质。来自伴星的物质在失落进黑洞的过程中，会形当作一个旋进下落的“吸积盘”。因为物质在吸积盘的分歧半径处公转速度分歧，相邻物质团块之间会发生猛烈摩擦，使吸积盘达到极高的温度，从而释放出强烈的 X 射线。

因为磁场的感化，一部门吸积盘上的物质会被从垂直于吸积盘的偏向上标的目的两侧喷出。

黑洞的极端致密，让吸积盘物质失落落进黑洞之前，有机遇把自身引力势能的很大比例转化当作其他形式的能量释放出来：核聚变的质能操纵率只有 1%摆布，而黑洞吸积盘释放出的引力势能折合当作质量，则半斤八两于失落落物质总质量的 30%多。这既是吸积盘上极高温度的当作因，也让吸积盘喷流得以加快到接近光速。

是以除了 X 射线双星，良多迸发出近光速喷流的星系中间，也被认为借居有超大质量黑洞。

例如室女座星系团中间的大质量椭圆星系 M87：

在这张图上，我们只能看到一侧的喷流，是因为以接近光速喷出的喷流具有强烈的相对论性多普勒集束效应——朝标的目的我们而来的物质显得较着更亮，背离我们而去的物质显得极为暗淡。

但上面这些，归根结底只是间接证据。

LIGO 发现双黑洞并合发生的引力波，可以视为黑洞确实存在的一个准直接证据——但究竟结果我们只是“听”到了黑洞并合的时空涟漪——不亲眼“看”见，总仍是不太结壮。

因为黑洞吸积盘可以或许释放出壮大的辐射，星系中心大质量黑洞的存在与否还对星系演化有着极为关头的影响，可以说今世天文学对星系演化的理解，严重依靠于确实存在星系中间超大质量黑洞这个假设。

若是最终居然证实没有黑洞的话，此刻的天文教科书就要全数重写了。

给黑洞画张素描

黑洞若是确实存在，它看上去什么样？

你可能会说，《星际穿越》已经把谜底泄了，长这样——

这个谜底，对一半，错一半。

在攻讦《星际穿越》哪里错了之前，让我们一路看看，黑洞是如何被看到的。

想象一下我们有一个能发出抱负平行光的手电，以及四个小球：

一个黑体、一个拥有抱负漫反射概况、一个拥有抱负镜面反射概况，和一个黑洞。

当我们用手电照射这四个小球，并在与入射光线呈 90°角的偏向黑暗不雅察，我们将看到什么？

谜底是这样：

对黑体，我们什么都看不到，因为光全都被接收了（固然会以黑体辐射的形式放出来，可是若是温度不高，处于可见光波段的黑体辐射少到可以忽略）；

对于漫反射概况，我们会看到它的一半被照亮了，就像上弦月那样；

对于镜面，我们会看到凸起的球面上，形当作一个小小的虚像。

对于黑洞，环境就复杂一些：直接打到史瓦西半径里面的光，当然直接就失落进黑洞了；即使是稍微靠外一些的光，也会被黑洞引力弯曲，绕过一些角度之后落入黑洞；在距离黑洞足够远处的某个处所，光线被黑洞引力偏折了 90°，拐标的目的我们的眼睛，这将许可我们看到，黑洞左侧，呈现一个光源的像；同理，也会有光线从另一侧，绕着黑洞转过 270°之后，拐标的目的我们的眼睛、形当作另一个像，诸如斯类，可以形当作一系列像。

你可能找到一点感受了。

那么再来一个问题：若是我们站在手电背后，视线沿着入射偏向看曩昔，又会看到什么？

谜底是这样：

所有落入

$3\sqrt{3}/2$

倍（也即~2.6 倍）史瓦西半径规模内的光线，城市落入黑洞（有些颠末了一些挣扎）；

在 2.67 倍史瓦西半径处，从一侧入射的光线，可以在黑洞引力弯曲下，绕黑洞转半圈、从另一侧射出，被我们看到；

在 2.67 到 2.6 倍史瓦西半径之间，光线也可以绕 1.5、2.5、3.5 等圈，从另一侧射出，被我们看到。

所以我们最终看到的是 2.6 到 2.67 倍史瓦西半径之间一系列齐心圆环——因为他们彼此离的很近，总的来说我们看到的是黑洞四周有一个环状亮晕。

也可以说这是黑洞“反射”回来的光。惠勒曾经指出，这种反射光甚至可以用来帮忙我们发现闯入太阳四周的黑洞——但只有当黑洞质量足够大（数十个太阳质量以上）、离太阳系足够近（几个光年以内），而且动用比现有光学千里镜大得多的设备去不雅测才能发现这种反射光。

知道了光线可以绕黑洞转圈，我们可以起头考虑一个更接近真实宇宙的环境：若是黑洞有一个薄吸积盘，我们将看到如何的气象？

没错，这恰是《星际穿越》给我们展示的景象：

因为我们所处的不雅测点稍微高于吸积盘盘面，吸积盘对我们而言，有上、下概况之分。

我们将看到，吸积盘上概况发出的斜标的目的上方的光，有一部门会被黑洞的引力拉回来，拉标的目的我们的视线偏向，从而让我们看到原本应该被黑洞遮挡失落的那部门吸积盘；

而本应该完全被吸积盘自身遮挡的吸积盘下概况，其斜标的目的下发出的光也可以被黑洞拉回来，进入我们的眼睛，让我们可以同时看到一部门吸积盘的下概况。

当然，还有一些光线可以围着黑洞多绕几圈再出来，可是它们发生的像不如前两种显著，不再会商。

这就是《星际穿越》中为我们描画的大凉帽形黑洞吸积盘的由来。

那为什么说《星际穿越》错了一半呢？

正如前文提到的，以接近光速活动的物质将有强烈的多普勒集束效应——吸积盘的一边朝标的目的我们活动，另一边背离我们活动，是以我们应该看到，其一侧很亮、另一侧很暗。

也就是这样：

这是 1979 年，法国天文学家让 - 皮埃尔·卢米涅操纵一台运算能力只有 10 年前本家儿流手机万分之一的晶体管计较机计较获得光强等高线图之后，按照等高线图的指示，亲主动手、用一个个墨点绘制在一张拍照纸上的图像。

这也是人类第一张操纵计较机数值模拟获得的黑洞模拟图像——距今刚好 40 周年。

《星际穿越》的科学参谋、2017 年诺贝尔奖得本家儿基普·索恩，曾经给片子导演建议过采用考虑了集束效应的可视化方案——导演暗示，不雅众会很猜疑，于是依然采用了错误的画法。尽管《星际穿越》已经拥有通俗作品中史上最佳的黑洞影像，但这个错误仍然让物理学界的老爷子们感应遗憾。

1990 年月，卢米涅的同事让 - 阿兰·马克为记载片《无限弯曲》建造了另一个富丽的黑洞可视化视频：

如前文所述，从精确性来说，这段视频跨越《星际穿越》。并且这段视频甚至展示了进入黑洞之后回看视界面之外的气象，可谓无限眷恋宿世界了。

这里还有一段“视界面千里镜”团队博士生安德鲁·切尔建造的黑洞吸积盘模拟动画：

那么，要如何才能用千里镜，而非计较机，看到这样的气象呢？

给黑洞拍张照片

2000 年，德国天文学家 Heino Falcke 对如何不雅测黑洞视界面做了一番阐发：

起首，恒星级黑洞其实是太小：距离我们比来的一个恒星质量黑洞、X 射线双星 A0620-00，距离 3500 光年，巨细 40 千米。这样其视直径只有万分之一个微角秒（10 的 -10 次方角秒）数目级，远远超出了任何不雅测手段的能力。

前文已经提到，黑洞按质量可以分为两类：恒星级黑洞和星系中间的超大质量黑洞。后者的质量往往可以达到数百万到数十亿倍太阳质量。因为黑洞的史瓦西半径巨细与质量当作正比，是以要直视超大质量黑洞，比恒星级黑洞要轻易良多。

最轻易想到的两个超大质量黑洞方针是银河系中间的半人马 A*（Sgr A*）和室女座星系团中间星系 M87 焦点的黑洞 M87*。前者距离大约 26000 光年，包含 430 万太阳质量；后者距离 5500 万光年，大约 60~70 亿太阳质量。按照史瓦西半径公式可以计较出，前者直径约为 2500 万千米，后者约为 360 亿千米。