爱因斯坦又说对了

距离地球5500万光年

质量约为太阳的65亿倍

由200多名科研人员历时10余年

从四大洲8个观测点“捕获”

B02版

　　人类史上首张黑洞照片面世！北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。

　　这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体———黑洞，一种体积极小、质量极大的天体，如同一个宇宙“吞噬之口”，连光也无法逃逸。

黑洞真容看上去有点儿像甜甜圈

　　照片“主角”是室女座超巨椭圆星系M87中心的超大质量黑洞，其质量是太阳的65亿倍，距离地球大约5500万光年。

　　它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环，看上去有点儿像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“阴影”，明亮部分是绕黑洞高速旋转的吸积盘。

首次看到广义相对论被证实

　　百余年前，爱因斯坦的广义相对论率先对黑洞作出预言，从此成为许多科幻电影的灵感源泉。科学家陆续通过一些间接证据证实了黑洞的存在，但人类始终没有真正“看到”过黑洞。

　　“这是人类获得关于黑洞的第一个直接视觉证据，证实了爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。”参与国际合作的中方科学家、中国科学院上海天文台台长沈志强说。

幕后功臣就是它！

　　这次能够看到黑洞究竟长什么样，还要归功于“事件视界望远镜”。这是什么装备？了解它之前，我们先要明白两个概念———

“事件视界”：

　　在黑洞周围，光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”。它像一堵无形的墙将内部被高度扭曲的时空和外界时空隔离开。

“事件视界望远镜”：

　　由于黑洞非常遥远且半径很小，以往设施没有足够的分辨率来直接观测黑洞，而是用观察周围恒星运动、吸积盘和喷流乃至引力波等间接方法来进行探测。为了提高望远镜空间分辨率，来自全球多个国家30多个研究所的200多名科研人员开展了一项庞大的观测计划，他们将分布在全球不同地区的多个射电望远镜组成一个阵列进行联合观测，这就相当于获得了一个口径宛如地球大小的巨型望远镜，这就是“事件视界望远镜”项目。

这张照片来得太不容易！

灵敏度要求极高

　　由于需要极高的灵敏度，组成全球网络的8个射电望远镜分布在多个高海拔地区，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的内华达山脉、智利的阿塔卡马沙漠、南极点等。“这些望远镜的分辨率相当于能在黑龙江漠河阅读南沙群岛上的一张报纸。”中方科学家、上海天文台研究员路如森说。

　　我国科学家全程参与了给黑洞拍照这项国际合作，在早期推动这一项国际合作、望远镜观测时间申请、夏威夷望远镜观测运行、后期数据处理和理论分析等方面均做出了贡献。

在合适的波段才能观测

　　“看”得远、“看”得清仍然不够，给黑洞拍照还要“看”得准。“观看电视节目要选对频道，黑洞影像也必须在合适的波段才能观测。”路如森说，最佳波段在1毫米附近，这一波段的黑洞光环最明亮，而背景“噪音”又最小。黑洞事件视界望远镜，顺利实现在1.3毫米波长的观测，并经过长期的数据分析，成功“捕获”黑洞的影像。

观测时机也很关键

　　如何选定观测时间？观测时机的关键在于可见度。据介绍，观测时机需要考量不同观测点的天气、观测可变性。由于不同地点的望远镜观测点分布在沙漠、热带地区、山区和冰原，所以需要根据监控和分析一年内的气候变化，由此得出最佳可见度。气候之外，大气不透明度和透射率也直接决定了观测的效果。

照片“冲洗”用了两年

　　黑洞照片“冲洗”用了约两年时间。虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像，而是给出了许多数据，必须经历复杂的计算机处理过程。其中还有些缺失或模糊的部分，需要科学家们拼图。此外，在2017年4月的联合观测以后，研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。

黑洞是什么？

　　科学界普遍认为，黑洞是宇宙中最神秘的天体，几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处，其周围形成一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。

黑洞还有种类？

　　根据质量，宇宙中的黑洞被分成3类。

　　【恒星级质量黑洞】

（质量从几倍到几百倍太阳质量）

　　来源：一般认为，大质量恒星演化到晚期后，核心的燃料用尽，所产生的能量无法抵挡自身物质内向的引力，会发生塌缩，并以超新星爆炸结束自己的生命。当剩余的核心质量大于3.2倍太阳质量时，将会在引力作用下继续塌缩形成黑洞。

　　【超大质量黑洞】

（质量大于几百万倍太阳质量）

　　来源：通过更小质量黑洞的碰撞并合，以及更小质量的黑洞吞噬气体尘埃而成。

　　【中等质量黑洞】

（质量介于前两者之间）

　　缺乏观测证据，来源有3种可能机制：

　　●恒星级质量黑洞的并合或恒星级质量黑洞通过吞噬气体成长而形成。

　　●宇宙大爆炸过程中形成的原初黑洞。

　　●经星团历练后的大质量恒星塌缩而成。

黑洞有哪些特点？

　　来者不拒？有些很“挑食”

一些黑洞是贪婪的贪食者，吸入大量气体和灰尘，而其他黑洞则很挑食。中国科学院国家天文台研究员陆由俊解释说：“原因是不同星系核心的环境不一样。有的星系的中心由于受到诸如星系碰撞过程等的扰动，气体沉积到中心黑洞附近，为黑洞提供了丰富的食物，以至于它们可以大快朵颐；而有的星系中心区域则比较平稳，只有少量气体能够到达黑洞附近，使得黑洞不得不浅斟慢酌。”

　　只可远观：会把人变成意大利面

　　尽管人们对黑洞的热情高涨，但其只可远观而不可接近，否则，后果很严重。简单来说，如果你和黑洞靠得太近，你就会就像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应，是因为人体各处受到的引力大小不同。

　　永久监狱？信息可从中逃逸

经典黑洞理论认为，任何物质和辐射都不能逃离黑洞；而量子力学理论表明，落入黑洞的信息可以重新获取，这个所谓的“信息悖论”已困扰科学界40年。

　　根据著名理论物理学家霍金的理论，黑洞“事件视界”并非“有去无来”的单行车道。尽管物体一旦被吸入黑洞就会永远消失，但如果经过数十亿年的时间，黑洞可能会“渗出”一些被吸入物质的蛛丝马迹，即落入黑洞的粒子的信息部分并没有消失，有些信息会以不同的形式释放出来，只不过很难还原和破解。

　　终极命运：或随时间蒸发殆尽

1973年霍金在弯曲时空量子场论的研究中发现原来“黑洞不黑”！原本经典理论上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力学中也可以通过一定的机制发射黑体辐射，这就是霍金辐射！

　　而且，黑洞的质量越小，其温度就越高。这样，随着黑洞损失质量，它的温度和发射率增加，导致其质量损失得更快。因此，小质量的黑洞，霍金辐射强，它们很快就会蒸发掉，一个10~15克的黑洞被蒸发掉所需的时间与宇宙的年龄相仿。

　　吞噬地球？或是平行宇宙入口

中国科学院国家天文台研究员苟利军介绍，黑洞只会对非常靠近的天体产生破坏作用，目前已知的黑洞距离地球都是非常遥远的，因此对我们普通人的生活没有直接影响，但是有一些物理学家认为黑洞可以充当星际空间旅行通道，知名物理学家斯蒂芬·霍金曾说，在黑洞的最中心，是平行宇宙的另外一个入口。通过黑洞，可以快速到达在地球上看起来非常遥远的一个地方，或者另外一个平行宇宙。

黑洞是如何“被看见”的？

　　神秘如幽灵般的黑洞不会发出任何光辐射，那么怎样才能在茫茫宇宙中探测到它们呢？这似乎有点像在煤窖里寻找一只黑猫。

方法1：“柴郡猫的笑容”

　　虽然人类不能直接看见黑洞，但是它就好像《爱丽丝漫游仙境》中会露出牙齿的柴郡猫一样，通过强引力所导致的时空扭曲展现它的“笑容”。

●远方天体发出的光线在黑洞附近会被弯曲，黑洞扮演了引力透镜的角色。

　　●来自遥远背景星系的光线在途经前方星系或者黑洞产生的引力场时，发生了扭曲而形成“弧形”，甚至可变成圆环形状。

方法2：“星星绕着谁跳舞”

　　黑洞的引力会对附近天体产生影响。

●一些天体系统，其中的两颗恒星因彼此间的引力吸引而做互绕运动。而在某些这类双星系统中只能看到一颗恒星，它绕着某个不可见的伴星做轨道运动。

　　●在绝大多数星系的中心，都存在着一个超大质量黑洞。正如地球绕着太阳转，星系中的恒星也都围绕着这个超级黑洞旋转。

方法3：“一贪吃就露馅”

　　情形A：

当黑洞吞噬恒星等物质时，这些物质会被黑洞的巨大引力撕扯成气体，并在黑洞视界外围形成一个旋转的气体吸积盘，其中气体一边旋转一边向视界靠近，最终被吸入黑洞。吸积盘中气体高速旋转，越靠近视界转速越快，高速气体之间的摩擦会产生大量的热，使吸积盘中心部分气体温度达到惊人的高度并发出强烈的X射线。科学家可以通过捕捉宇宙中的X射线，并由此推断黑洞的存在。

　　情形B：

有的黑洞处于双星系统中，而另外一个天体是正常的恒星，在这种情形下，正常恒星的物质会被黑洞强大的引力吸引过去。这些物质不会直接掉入黑洞中，而是会首先进入黑洞周围的吸积盘中，某些时候吸积气体的量过多，不能被黑洞全部吞掉，还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去，产生非常壮观的喷流。正是由于吸积盘和喷流的存在，它们都能够产生电磁辐射，科学家利用地面或者太空的望远镜就可以探测到黑洞的存在。

　　中国发射的“慧眼”太空望远镜就是利用这个方法观测黑洞的。

方法4：“看不见还可以听”

　　2015年9月14日人类首次探测到引力波，从此拥有了感知宇宙的新能力。而那次探测到的引力波就来自两个黑洞的并合，这也是黑洞以及双黑洞系统存在的最有力证据。

　　引力波就像时空中的涟漪。两个黑洞组成的天体系统不会产生能够被探测到的电磁波辐射。因此引力波是目前研究双恒星级质量黑洞的唯一手段。

给黑洞拍照，能拍到什么？

　　其实就是拍摄黑洞的“暗影”。广义相对论预言，我们将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。

　　如果黑洞后面有一个类似于吸积盘的平面光源，平面光源发出的光子会受到黑洞的强引力场影响。天空平面（与视线方向垂直的面）会被一个名为黑洞“视边界”的圆环一分为二。

　　从视觉上，在视边界内侧的亮度明显更弱，相比之下，看起来就像一个圆形的阴影，外面包围着一个明亮的光环。故得名黑洞的“暗影”。

为什么要给黑洞拍照？

   主要有3个目标：

1.验证广义相对论

广义相对论预言了黑洞“暗影”的存在、尺寸和形状。如果观测结果与预言相符，就验证了广义相对论。如果不一样，说明有一些新的方面需要改进。

2.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，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，能更好地重构黑洞“吃东西”的物理过程。

3.理解喷流的产生和方向

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，却没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么，现在对黑洞暗影的拍摄，就能助科学家一臂之力。

■盘点

　　有关黑洞的那些发现

   ●人类关注黑洞的历史可以追溯到18世纪末。在万有引力定律提出约百年后，英国科学家约翰·米歇尔在1783年首次提出，可能存在引力强大到连光线也无法逃离的“暗星”。不过，那时天文学家对此讨论不多。

　　●1915年，爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。但其实，就连爱因斯坦也曾经不相信黑洞真实存在。不过，科学界确实利用广义相对论计算得出，在宇宙中存在这样的天体。

　　●20世纪60年代，美国天体物理学家约翰·惠勒首次将“黑洞”作为一个科学术语提出，这个词象征着它的黑暗和神秘。

　　●人类发现的第一个强有力的黑洞候选天体是1964年发现的天鹅座X-1，距离地球约6000光年。天鹅座X-1有一个正在被它吃掉的“舞伴”，但伴星的质量却比它本身更加大，引发了广泛的争议，其身份长期悬而不决，霍金都为此打过赌（并输掉了）。科学家们后来测得天鹅座X-1的质量约为14.8个太阳，视界半径300公里，应该是一个“胃口”非常小的黑洞。

　　●1995年起，天文学家开始对银河系中心区域附近的90颗恒星进行轨迹观测和记录。这些记录显示：所有恒星都围绕着一个黑暗的中心运动着。在20年的时间里，这90颗恒星中的一颗名为S2的恒星完成了一次完整的绕行。根据S2的轨道数据，科学家终于计算出了银河系中心这个黑暗天体的基本数据：质量约为430万倍太阳质量，半径约为0.002光年。这样一个高密度不发光的天体，基本上只可能是黑洞。

　　●2010年11月，美国航空航天局（NASA)揭开了一则吊足媒体胃口的“秘密”———该局最近发现的“异常物体”不是此前盛传的UFO，也不是外星人，而是地球附近一个年仅30岁的黑洞，这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。

　　●2011年8月，天文学家首次抓拍到黑洞吞噬恒星的过程，这被认为是目前宇宙最神秘、最震撼的情景。照片中的黑洞仿佛魔鬼一般，将一颗接近它的恒星瞬间撕碎变成发光等离子体后消失无形。据悉，照片中的黑洞距地球约40亿光年。

　　●2015年堪称黑洞研究的一个小高峰：引力波探测项目为黑洞的存在提供了明确证据。

　　●2017年12月7日消息，美国卡耐基科学研究所科学家发现有史以来最遥远的超大质量黑洞，该黑洞质量是太阳质量的8亿倍。这与现今宇宙中发现的黑洞有着很大不同，此前发现的黑洞质量很少能超过几十倍的太阳质量。

本组稿件综合新华社等