人类首张黑洞照片正式发布，有哪些重要意义？

第一张……

国家天文台苟利军研究员@Flyingspace ：

这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。

另外一个重要意义在于，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。

受限于观测分辨率和灵敏度等因素，目前的黑洞细节分析还不完善。未来随着更多望远镜加入，我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节，从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制，完善我们对于星系演化的认知与理解。

出品：科普中国

左文文（上海天文台）：

如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片，那么非下面这张照片莫属。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片，也是人类拍摄的首张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据，从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。

这张照片于2017年4月拍摄，2年后才“冲洗”出来。2019年4月10日由黑洞事件视界望远镜（Event Horizon Telescope， EHT）合作组织协调召开全球六地联合发布。

给黑洞拍照，有三个科学意义：

1. 对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的，给黑洞拍照最主要的目的就是在强引力场下验证广义相对论，看看观测结果是否与理论预言一致。

2. 有助于理解黑洞是如何“吃”东西的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域，这里的信息尤为关键，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，就能更好地重构这个物理过程。

3. 有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。如果现在对黑洞暗影的拍摄，就能助天文学家一臂之力。

黑洞照片应该是这样：圆形阴影+光环

一百年前，爱因斯坦广义相对论提出后不久，便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人计算出了黑洞的图像。上世纪90年代，Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序，模拟出银河系中心黑洞Sgr A*的样子，引入了黑洞“阴影”的概念。

理论预言，受黑洞强引力场的影响，黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞弯曲，使得天空平面（与视线方向垂直的面）被黑洞“视边界”（apparent boundary）的圆环一分为二：在视边界圆环以内的光子，只要在视界面以外，就能逃离黑洞，但受到很强的引力红移效应，亮度低；而视边界圆环以外的光子，能绕着黑洞绕转多圈，积累的亮度足够高。

从视觉上看，视边界内侧的亮度明显更弱，看起来就像一个圆形的阴影，外面包围着一个明亮的光环。故此也得名黑洞 “阴影”（black hole shadow）。这个阴影有多大呢？史瓦西黑洞的阴影直径是视界直径的5.2倍；如果黑洞转得快，阴影直径也有约4.6倍视界半径。如此看来，黑洞视边界的尺寸主要与黑洞质量有关系，而与黑洞的自转关系不大。

后来，更多科学家针对黑洞成像开展了大量的研究，均预言黑洞阴影的存在。因此，对黑洞阴影的成像能够提供黑洞存在的直接“视觉”证据。

今天只是起点，未来将看到更多精彩

其实，人类关于黑洞的理论预言出现的时间不短，VLBI技术也并不是近十年才成熟。为什么现在才“拍”到第一张黑洞照片呢？一个重要的原因是，想要利用VLBI技术构成一个等效口径足够大、灵敏度足够高的望远镜，需要在全球各地广泛地分布着足够多的这类望远镜。过去十年中，技术的突破、新射电望远镜的不断建成并加入EHT项目、算法的创新等，终于让天文学家们打开了一扇关于黑洞和黑洞视界研究的全新窗口。

参与此次EHT观测的上海天文台专家一致表示，对M87*黑洞的顺利成像绝不是EHT的终点站。

一方面，对于M87*的观测结果分析还能更加深入，从而获得黑洞周围的磁场性质，对理解黑洞周围的物质吸积及喷流形成至关重要。

另一方面，大家翘首以待的银河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出炉了。

EHT项目本身还将继续“升级”，还会有更多的观测台站加入EHT，灵敏度和数据质量都将提升，让我们一起期待，未来看到M87*和Sgr A*的更高清照片，发现照片背后的黑洞奥秘。

总之，人类既然已经拍到第一张黑洞照片，那黑洞成像的春天还会远吗？

作者：左文文（中科院上海天文台）

出品：科学大院

100 年前的 1919 年，爱丁顿远征西非观测日全食，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 台望远镜强强联手，组成史诗般的「视界面望远镜」，奉上了人类的第一张黑洞照片——

一个世纪的求索，我们终于等到了今天。

轻舟既过万重山，犹忆往昔峥嵘岁月稠。

——现在请让我们一同回顾，这张必将载入史册的珍贵影像，经历了怎样漫长的百年酝酿。

目录：
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
五、意中意外视界面

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，颠覆了人类对时空本质的认知。

我们可以借惠勒之言概括广义相对论的精髓：「时空决定物质如何运动，物质决定时空如何弯曲。」

宇宙万物，原本被认为只是广袤时空舞台上的演员，在广相的世界里，却成为舞台本身的建构师。

广义相对论给出很多重要的预言，其中很多在刚问世时，都显得过分光怪陆离，让人不敢相信。

然而 100 年来，这些预言逐一获得实验和观测的证实，让爱氏取得物理学史中至高无上的地位：

广义相对论预言，大质量天体会让周围的时空发生显著弯曲，背景星光行经此处，会随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，分别率领一支远征队赶赴巴西和西非，利用日全食的宝贵时机，测量太阳附近恒星的位置——对比星图，他们发现这些恒星的位置似乎稍微远离了日面，而且远离的幅度符合广义相对论的预言。

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重要观测。结果一出，立刻让爱因斯坦名声大噪。

当天体质量更大、弯曲星光的效应更明显，中间的大质量天体就仿佛一个汇聚光线的凸透镜，让背景光源呈现扭曲、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。

而引力透镜成像在宇宙中已经被广泛发现：

1974 年，美国天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，使用当时世界上最大的单口径射电望远镜，位于美国波多黎各的 305 米阿雷西博望远镜，发现了一颗位于双星中的毫秒脉冲星。

广义相对论预言，两个天体相互绕转时，会由于搅动时空、发出引力波而损失轨道能量，让两颗星之间的距离趋于衰减。

两位天文学家发现，这颗脉冲星的脉冲到达时间系统性地逐步偏移，而这种偏移刚好符合广义相对论预言中，双体系统因发出引力波而产生轨道衰减的情况。

这是对广义相对论的一次严格检验。

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，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）更是第一次直接探测到双黑洞并合事件产生的引力波：

促成这一发现的几位物理学家几乎立即斩获了 2017 年诺贝尔物理学奖。

更不用说，我们每个人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：如果不对地球引力及卫星运动的相对论效应进行改正，卫星定位系统将完全无法给出正确位置。

祝贺你，已经多次成功参与广义相对论的实验检验。

对广相检验历史有兴趣的读者，

可以参考文末给出的 Tests of General Relativity: A Review 这篇文章。

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，在第一次世界大战的前线战地医院卧病时，写下一篇探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」的第一个精确解。根据这个解，对于任何物体，都有一个与其质量相对应的半径，如果将其全部质量压缩到这个半径内，这些物质就将无止尽的向中心掉落，形成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，包括光，都无法从史瓦西半径内逃出。

如果这个极端不可思议的预言也能得到证明，无疑将会是广义相对论的又一座丰碑。

但一开始，天文学家不相信自然界可以产生那么致密的天体。

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，一旦质量超过 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，当中子星的质量超过某一极限（根据 LIGO 引力波观测的结果，这个极限目前被认为是 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——而且似乎没有什么力量可以再阻挡这种坍缩。

看来宇宙似乎有办法把物质压进史瓦西半径以内。

但「奇点」这个让物理学失效的地方，却让一些理论物理学家寝食难安。惠勒一度质疑，形成奇点之后，原先的物质为何可以变成一个无物质的几何点。

随着理论研究的深入，物理学界逐渐廓清疑虑、建立了对这种极端天体各项性质的共识，它也于 1967 年被惠勒正式命名为「黑洞」；但来自一些非主流科学家的异议也始终存在，他们不断试图用黑洞之外的理论描述致密天体的结局。

随着一系列简介天文观测证据的出现，黑洞学说的事实基础逐渐坚实起来：

1972 年，美国天文学家使用探空火箭搭载的 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。

黑洞成为解释宇宙中强 X 射线源形成机制的一把钥匙：

如果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。来自伴星的物质在掉进黑洞的过程中，会形成一个旋进下落的「吸积盘」。由于物质在吸积盘的不同半径处公转速度不同，相邻物质团块之间会产生剧烈摩擦，使吸积盘达到极高的温度，从而释放出强烈的 X 射线。

由于磁场的作用，一部分吸积盘上的物质会被从垂直于吸积盘的方向上向两侧喷出。

黑洞的极端致密，让吸积盘物质掉落进黑洞之前，有机会把自身引力势能的很大比例转化成其他形式的能量释放出来：核聚变的质能利用率只有 1% 左右，而黑洞吸积盘释放出的引力势能折合成质量，则相当于掉落物质总质量的 30% 多。这既是吸积盘上极高温度的成因，也让吸积盘喷流得以加速到接近光速。

因此除了 X 射线双星，很多迸发出近光速喷流的星系中心，也被认为寄居有超大质量黑洞。

例如室女座星系团中心的大质量椭圆星系 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——朝向我们而来的物质显得明显更亮，背离我们而去的物质显得极为暗淡。

再比如，有人连续跟踪银河系中心恒星运动十多年，从其轨道计算出，中心天体拥有巨大的质量并且限制在非常小的尺度内，结论同样指向超大质量黑洞。以下是使用真实测量数据制作，并包含未来十几年预测的模拟动画：

但上面这些，归根结底只是间接证据。

LIGO 发现双黑洞并合产生的引力波，可以视为黑洞确实存在的一个准直接证据——但毕竟我们只是「听」到了黑洞并合的时空涟漪——不亲眼「看」见，总还是不太踏实。

由于黑洞吸积盘能够释放出强大的辐射，星系中央大质量黑洞的存在与否还对星系演化有着极为关键的影响，可以说当代天文学对星系演化的理解，严重依赖于确实存在星系中心超大质量黑洞这个假设。

如果最终居然证实没有黑洞的话，现在的天文教科书就要全部重写了。