你好，黑洞！首張照片背後，這些事實你了解嗎？

書畫 04-11

2019年4月10日北京時間21點，人類歷史上首張黑洞照片發布了。

HT（Event Horizon Telescope，事件視界望遠鏡項目）在全球六地（比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京和美國華盛頓），同時召開新聞發布會，向全球宣布了這一項重大成果。

是一個由全球200多名科學家組成的團隊，通過架設於美國、墨西哥、智利、南極等地的8組望遠鏡觀測，並經由全球多個射電天文台的協作，歷時兩年時間，收集並整合出了黑洞的圖像數據。

這是人類史上第一張直接拍攝的黑洞照片，為了拍攝這張照片所進行的幕後工作，將使我們收穫大量奇點周圍極端引力環境下的無價數據，令人類對宇宙的研究向前推進一大步。從科學意義上說，這也是繼人類首次探測到黑洞引力波之後，對愛因斯坦廣義相對論的又一有力驗證。

這張照片沖洗用了兩年時間，但人類對它的期待，早已超越了百年。

從1873年對黑洞的猜想首次提出開始，一百多年來，黑洞令人類魂牽夢繞。

無數科學家前赴後繼，努力想要證明或是推翻它；它也無數次出現在科幻小說和電影中，不斷拓展著人類想像力的邊界。

第一張黑洞照片，5500萬光年外的梅西耶87（M87）

EHT項目團隊在2017年4月5日到11日之間對M87進行了4次非常成功的聯合觀測，並經過近兩年的數據處理，呈現給人類首張黑洞照片，如上圖所示。

中國科學院上海天文台天文大廈三樓同步發布了人類首張黑洞照片

圖中數值模擬結果顯示，落向黑洞的物質應會產生能用來驗證愛因斯坦引力理論的現象。

8架射電望遠鏡或干涉陣參與了此次觀測。（圖中IRAM布雷高原干涉儀未參與此次觀測）每架望遠鏡都位於高海拔處，以保證地球大氣對信號的吸收降到最低。利用全球範圍的設備以及在毫米波段進行觀測，該天線陣的有效角解析度將達到數百萬分之一角秒——足以看清月球上一張DVD。

黑洞及周圍結構圖

黑洞接近太陽系的想像圖來源：Spaceanswers網站

超大質量黑洞及其吸積盤的藝術想像圖來源：Space Engine

銀河系銀盤示意圖——來源：中科院國家天文台

黑洞吸積過程與能量釋放的三種方式（郭福來製圖）

M87星系中心黑洞的射電噴流反饋來源：美國國家射電天文台

人馬座A*超大質量黑洞來源：NASA

銀河系費米氣泡來源：NASA

加入黑洞觀測計劃的各國天文望遠鏡。圖片來源：北京時間

1979年，巴黎天文台的Jean-Pierre Lumine手繪黑洞圖像。圖片來源：Science| J.-P. LUMINET

利用計算機模擬出的一個非旋轉黑洞及其吸積盤不同角度樣貌的圖像。圖片來源：Science| J. A. MARCK/J.-P. LUMINET

電影《星際穿越》中的黑洞。圖片來源：Science| AF ARCHIVE/ALAMY STOCK PHOTO

黑洞和各種星體的循環演變圖。圖片來源：騰訊網

黑洞積吸盤科幻圖。圖片來源：搜狐網

黑洞「噴流」科幻圖。圖片來源：騰訊網

事界望遠鏡地理位置簡圖。圖片來源：sciencemag

圖2 視界望遠鏡

SPT南極望遠鏡。圖片來源：科學世界

黑洞圖片來源：電影《星際穿越》

卡岡圖雅黑洞圖片來源：電影《星際穿越》

圖片來源：網路

這是一張嚴重彎曲的時空體的示意圖，位於黑洞的事件視界外。隨著你越來越靠近質量，空間的彎曲越來越嚴重，最終導向「事件視界」

事件視界是圖中的黑色區域，光無法從事件視界內逃脫

這則動畫展現了一個質量在時空體中移動時，時空體是如何響應的

即使你以一個完美圓球開始，你也會被沿著黑洞方向拉伸，而沿著它的垂直方向受到壓縮。物體中心的力會等於平均合力（net force），而中心之外的不同地點會感受到不同合力。這個過程的結果就是「義大利麵條化」效應

當你墜入黑洞或僅僅緊靠事件視界時，事件視界的尺寸與尺度會顯得比實際尺寸大得多

任何人都可能看出來，這會是宇宙微波背景最怪誕奇異的樣子：這是當你在遭遇黑洞中央奇點之前經歷最後一刻時，來自你身後某個點的藍移能量

LIGO

LIGO第一階段和第二階段觀測發現的雙黑洞合併事件引力波信號

資料來源： https://www.ligo.caltech.edu/news

LIGO第一階段和第二階段觀測發現的雙黑洞合併事件以及其他手段發現的黑洞X射線雙星和中子星系統等

星系中心黑洞質量與星系核球關係示意圖

銀河系中心黑洞質量測量，其中數十顆恆星圍繞一個緻密物體旋轉，周期從10年到幾十年，利用開普勒定律可以很精確的算出其中的黑洞質量。

黑洞吸積盤正面看呈現的圖像

資料來源：Falcke et al. 2000, ApJ, 528, 13

《星際穿越》中黑洞影像，其中假設黑洞為1億個太陽質量，吸積盤為薄盤

黑洞吸積與噴流圖像

資料來源：維基百科

圖7.1 M87星系光學圖像，可以看到中間拋出物

圖7.2 M87不同尺度射電波段的噴流圖像（0.2-20萬光年）

黑洞潮汐瓦解恆星藝術圖

天琴引力波探測器，是圍繞地球的三顆相距17萬公里的三顆衛星

新黑洞簡史

來源：

新原理

新原理研究所

18世紀末，一位英國自然哲學家記載了一個匪夷所思的故事：

宇宙中存在著大量的「引力怪獸」，它們像幽靈般遊盪在空曠的星際之中，沒有人能夠直接看到它們。只有當它們的身邊恰好有發光的物質圍繞時，它們的行蹤才會暴露......

這位自然哲學家將這些引力怪獸稱為「暗星」，後來，這些暗星有了一個更響亮的名字——黑洞。黑洞真的存在嗎？在過去的100年中，從理論到觀測，我們對黑洞有了越來越深刻的理解，也已經搜集了越來越多的證據表明它們的確存在。

但在過去，所有跟黑洞有關的圖片都是藝術想像圖或者模擬模擬圖。直到今天，一切都改變了！事件視界望遠鏡（EHT）第一次直接拍攝到了星系M87中心的超大質量黑洞的照片：

通過事件視界望遠鏡（EHT）對星系M87中心的觀測，科學家獲得了第一張黑洞的照片。照片中顯示了一個明亮的光環，它是在一個質量比太陽大65億倍的黑洞周圍而彎曲而形成的。這張我們侯時已久的照片為超大質量黑洞的存在提供了迄今為止最有力的證據，並為對黑洞、黑洞的事件視界以及引力的研究打開了一扇新的窗戶。| 圖片來源：Event Horizon Telescope Collaboration

從圖片中我們可以看到，黑洞「剪影」的大小和形狀與愛因斯坦廣義相對論的預測精確相符，這大大地增加了我們對這個百年理論的信心。為拍攝黑洞的圖像而發展出的各項技術只一個開始，在未來，這些工具還將帶給我們更多來自宇宙贈與的複雜數據，幫助我們更進一步地揭示宇宙的奧秘。

這是多麼激動人心的時刻！在全世界都在為這一萬眾矚目的消息奔走相告時，讓我們將時間倒退回到18世紀末，回到故事最初的起點：

（旋轉手機屏幕，探索黑洞）