NASA科學家：黑洞既然看不見，首張照片又是怎麼拍的？

最新 04-21

2019年4月，包括中國等世界各國科學家和機構通力合作，終於獲得了首張黑洞照片。

黑洞是一個不容易理解的概念。黑洞究竟是什麼？它既然看不見，連光都無法逃脫，人類又怎麼能給它拍照呢？

要了解黑洞，先從恆星開始。恆星消亡時才產生黑泂。在宇宙中，當巨大的氣體和塵埃雲團坍塌時，其中央形成一個熱物質內核，恆星由此誕生，就像我們熟知的太陽，這個誕生過程相當漫長。沒有進入恆星核心的其他材料可能會變成行星、小行星和其他碎屑。我們的地球就是一顆行星。

這幅由藝術家創作的插圖展示了一顆巨大的幼年恆星被布滿塵埃的環緊密環繞的景象。

當這個為期數百萬年的誕生過程結束時，恆星就開始通過一種名為核聚變的過程燃燒，或者說發光。原子的核心被稱為原子核。核聚變是兩個原子的核心相聚或融合的過程。發生核聚變時，兩個原子核變成一個更重的原子核。與此同時，大量的能量會被釋放出來。

正是這個原子核碰撞並釋放能量的過程，為恆星提供了能量。當我們說一顆恆星在「燃燒」，指的就是這件事。

在恆星整個生命的大部分時間裡，這種燃燒過程涉及氫——宇宙中最輕也是最豐富的元素——聚變成氦的過程。我們的太陽現在就處於這個階段。

它當一顆恆星缺少用來在核心進行核聚變的氫時（我們的太陽在大約50億年內都不會出現這種情況），事情就變得更有意思了。隨著核心的氫燃燒殆盡，那裡不再產生能量。這會導致核心的緩慢坍塌和升溫。

然而，核聚變的過程依然在持續，只是轉移到了仍然還有氫的部位。這意味著核聚變開始在核心之外富含氫的氣體層中發生，且在這個過程中為恆星提供能量。這時恆星進入天文學家所說的「紅巨星」階段。

這張由藝術家創作的插圖展示了一顆紅巨星的特寫，它被一個充滿塵埃和氣體的圓盤圍繞著，頂部和底部還有一對噴流。

當這一層的氫耗盡之後，紅巨星中的核聚變過程開始將新創造出的更重的氦原子加入進來。隨著核聚變過程沿著元素周期表不斷前進，這些發生融合的氦原子變成了更重的元素，直到產生碳。

如果恆星的大小不足以產生融化碳的高溫，恆星就會卡在這裡。原子無法被聚變成新的原子，碳和氧開始在核心形成和聚集。隨著恆星的核心吸引越來越多的物質，它開始升溫。這會導致恆星的外層向外膨脹。

紅巨星階段並不總是一個平靜和連續的過程。相反，隨著核心中的核聚變開始像耗盡汽油的汽車一樣噴濺，這顆恆星就會開始不均勻地向外噴射物質。這一階段的恆星圖像被稱為「行星狀星雲」。

螞蟻星雲（Ant Nebula）擁有行星狀星雲典型的雙極形狀。一顆類似太陽的恆星將自己的物質從外層噴射出去，直到核心暴露出來，釋放出照亮氣體的光。這張圖片結合了哈勃太空望遠鏡的可見光數據（綠色和紅色）以及錢德拉X射線天文台的X射線數據（藍色）。

當太陽進入這個階段時——距離現在還有幾十億年，所以不要擔心它會膨脹。這裡所講的膨脹不是膨脹一點，而是膨脹得非常厲害。實際上，天文學家推測當這件事發生時，太陽會向外膨脹得非常厲害，以至於吞沒太陽系的內行星：水星、金星，甚至地球。

然後，我們的太陽和它的同類恆星將繼續以紅巨星的狀態存在，直到再也沒有任何可以釋放的外層物質。留下來的將是一個密度很大的小型內核，天文學家稱之為白矮星。由於沒有可以用於燃燒的燃料，白矮星只能漂浮在太空中，散發著剩餘的熱量。這個過程會持續幾十億年，然後在某個時刻，這顆恆星最終會從一塊滾燙的餘燼變得冰冷黑暗。

這張插圖展示了一顆恆星在一生中可能的變化路徑，從一顆類似太陽的恆星（左下）變成紅巨星（中上）、行星狀星雲（最右），最終成為一顆白矮星。

對於像我們的太陽一樣或者更小的恆星，變成白矮星的緩慢過程是它們漸進而平靜的命運，但是對於那些更大的恆星呢？簡而言之，它們不會安靜地走向死亡。那是因為它們的核聚變並沒有因碳核聚變而停止，它們會繼續這個過程，製造出越來越重的元素，直到鐵元素被製造出來。

當這顆恆星開始將鐵聚變在一起，它就遇到了大麻煩。這是因為當兩個鐵原子結合時，它們實際上吸收了能量，而不是像其他原子那樣釋放能量。這會引發失控的連鎖反應，導致恆星冷卻，壓力陡然下降。這最終將導致整顆恆星的戲劇性坍塌。

當這顆恆星坍塌到核心上時，它會反彈，將恆星的外層物質全部拋射到太空中去。天文學家將這種爆發稱為超新星爆發。超新星爆發釋放出的能量如此之大，以至於它們的光芒可以蓋過整個星系。考慮到一個星系含有數十億顆恆星，這就讓人覺得更了不起了。

當這些大質量恆星經歷超新星爆發時，仍然會留下恆星曾經的核心。然而，這個核心的密度現在更大了，因為核心的坍塌一直在繼續，直到所有電子和中子都被擠在一起，就像一群人正急於穿過出口卻無處可去一樣。這個被壓縮的天體被科學家稱為中子星，它的密度是如此之大，一湯匙中子星的重量就超過10億噸。

IC443是一個超新星遺迹，裡面鑲嵌著一顆中子星（圖片中下部較亮的藍色斑點）。這張合成圖片中有三種不同類型的光，包括X射線（藍色）、無線電波（綠色）和可見光（紅色）。

但是當一顆恆星的體積極為龐大時，它的命運會比壯麗的超新星爆發並創造出一顆中子星更加離奇。最大的恆星會繼續坍塌，直至形成一個黑洞。當一顆恆星坍塌成黑洞，沒有任何東西能夠從它身邊逃脫——甚至光也不能。我們之所以能了解這些極端天體的存在，是因為我們看到了黑洞周圍的物體以及黑洞通過它強大的引力對周圍環境所產生的影響。

數百年來，科學家們一直推測，某些恆星可能會坍塌變暗，它們的引力會變得極為強大，以至於沒有任何東西，就連光都不能從它們身邊逃脫。這些黑暗的恆星被稱為黑洞，如這幅圖所示。由於任何類型的光都無法從黑洞逃脫，我們無法直接觀察到它們的樣子。但是有一種方法可以找到它們，那就是使用能夠探測X射線的望遠鏡，尋找從旋轉向黑洞的熾熱氣旋中所散發出的高能輻射。

在很長一段時間裡，黑洞一直被當作科幻小說的噱頭，但是天文學家有確鑿的證據表明它們確實存在。實際上，我們已經了解到許多關於黑洞的情況。

黑洞在吞噬周圍物質的時候，會形成一個旋轉的吸積盤，旋向黑洞的大量物質會猛烈撞擊摩擦，散發出巨大的能量，這種能量電波可以為地球上的射電望遠鏡所捕捉。

但單個射電望遠鏡靈敏度和解析度非常有限，很難探測。此次國際合作，就是通過全球多個射電天文台的協作，構建一個口徑等同於地球直徑的「虛擬」望遠鏡，使其功能提高到足以拍攝銀河系中心的黑洞。

這張圖片描繪了一個由大質量恆星坍塌後所形成的恆星質量黑洞。這個黑洞將一顆大質量藍色伴星中的物質拽向自己。這些物質形成了一個圓盤（用紅色和橙色表示），圍繞黑洞旋轉，然後落入黑洞，或者以強勁噴流的形式重新定向，從黑洞噴發出去。

實際上，黑洞的確是看不見的，但我們可以通過它「吃東西」時發出的光，來獲得它的相貌。此次國際合作，收集的黑洞信息是M87，即室女座A星系，它距離地球約5500萬光年，質量約是太陽的65億倍。室女座是最大的黃道帶星座，與其他同類型的黑洞相比，我們可以更容易、更詳細地研究它。它將幫助解答人類對宇宙的疑惑，打開探索宇宙的新世界。

今天，邦哥要推薦的這本書是《認識宇宙》，作者採用的是通俗的寫法，用極簡的語言講述複雜的宇宙，但對關鍵的知識點，即使是很難以理解的黑洞、暗物質和暗能量，也做了生動的解釋和描述。

她是這樣描述星系的：

黑洞既然看不見，我們又是如何發現黑洞的呢？

同樣，暗物質也是不發光，看不見，它又是如何被發現的呢？