关于黑洞，你不得不知道的7个问题

黑洞从周围天体吸积物质（构想图） 新华社发

1什么是黑洞？

1915年，爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。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。

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。

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。此外，黑洞完全不发射和反射任何电磁波，仪器和肉眼都无法观测到它。

理论上讲，任何有质量的物体都能被压缩成一个黑洞。比如，如果地球质量不变，体积缩小10亿倍，压缩成直径18毫米的球体，那地球就会变成一个黑洞。根据理论推算，银河系中光恒星量级的黑洞就有上千万个。

2黑洞如何被看到？

无法通过仪器观测，那黑洞又是怎样被“看到”并确定位置的呢？

远方的天体发出的光线经过黑洞附近会发生弯曲，黑洞扮演了引力透镜的角色。很多来自遥远背景星系的光线在途经黑洞产生的引力场时，发生扭曲而形成弧形，甚至会变成圆环状。在绝大多数星系的中心都存在一个超大质量黑洞，正如地球围绕太阳转，星系中的横行也都围绕着超级黑洞旋转。只要观测到这些现象就能确定黑洞的位置。

有些黑洞因为“贪吃”而被人类观测到。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，这些气体在黑洞视界外围形成一个旋转的气体吸积盘。吸积盘中的气体高速运旋转，气体之间相互摩擦会产生大量的热并发出强烈的X射线。通过捕捉宇宙中的X射线，可以推断黑洞的存在。

有的黑洞处于双星系统，另一个天体是正常恒星。恒星的物质进入黑洞周围的吸积盘中，吸积气体的量过多时会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去，形成喷流。吸积盘和喷流都能够产生电磁辐射，科学家利用地面或者太空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。

3“事件视界望远镜”项目是什么？

给黑洞拍照，需要举全球之力。这一名为“事件视界望远镜”（EHT）的项目团队由来自全球的数百名研究人员组成。该项目集合了分布在全球各地的8个射电望远镜（西班牙1个，夏威夷2个，美国本土1个，墨西哥1个，智利2个，南极1个）组成一个虚拟的射电望远镜网络。这个虚拟望远镜网络的有效口径达到了地球直径大小，通过该望远镜人类第一次看到了黑洞的视界面。

4给黑洞拍照时我们在拍什么？

由于黑洞附近的吸积盘非常热且亮，与黑洞对比明显，因此可以通过观测吸积盘来为黑洞拍照。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）会被黑洞“视边界”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隐形，外面包围着一个明亮的光环。科学家们称之为黑洞的“暗影”。

科学家给黑洞拍照，实际上就是拍摄黑洞的“暗影”。

5拍摄的黑洞离地球有多远？

这个项目的主要任务是拍摄两个黑洞。一个位于银河系中心，名为“人马座A*”，是距离我们最近的超大质量黑洞；另一个就是位于银河系邻近星系M87中心的黑洞。它们是按人类“现有的能力”确定的“理想观测对象”。

“人马座A*”，距地球也有2.6万光年，是从地球上看过去最大的黑洞。由于它与地球相距遥远，在地球上观测它就像我们站在地球上去看一颗放在月球表面的橙子。

星系M87的中心黑洞的质量约为65亿个太阳的质量，但它距离地球大约5500万光年。

6为何只公布一张黑洞照片？

EHT项目重点观测了两个黑洞。为何此次选择公布M87中心黑洞的照片呢？

上海天文台研究员、博士生导师郭福来说，这是因为M87中心黑洞的观测和成像结果更清晰。“人马座A*和地球都处在银河系，而且目前处于休眠期，观测难度更大，科学家们还在继续处理梳理数据，没有达到预期效果。”

7给黑洞拍照有什么意义？

给黑洞拍照对人类来说有什么重要意义呢？马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯说：“我们希望借此验证广义相对论的有关预测，并了解星系的形成和演化。终极目标是从天文领域认识自然，了解宇宙的形成。”

简单来说，通过给黑洞拍照，科学家们能实现三个目标：

第一，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。

第二，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。

第三，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。以前收集的信息无法告诉科学家在靠近喷流产生的源头之处发生了什么。对黑洞进行拍摄，能助科学家一臂之力。

文/何晶 赵鹏

制图/李金宝

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