小心，有黑洞！_風聞

你凝視深淵的時候

深淵也在凝視着你

2019年4月

第一張黑洞照片公佈

人類第一次真正凝視這個宇宙的深淵

（人類拍攝到的首張黑洞照片，圖片來源@EHT Collaboration，標註@小黑/星球研究所）

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而此時

距離人們對黑洞是否存在的質疑

已經過去了一百多年

對黑洞而言

這不過是短短的一瞬間

但對人類而言

卻是一段不斷顛覆想象的漫長之旅

而正是這場持續百餘年的思想狂飆

才讓我們能夠寫下這篇文章

帶你一窺宇宙中的至暗深淵

（黑洞藝術家想象圖，圖片來源@wikimedia commons）

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那麼

到底什麼是黑洞？

它為何擁有如此強大的力量？

以至於一切物質、能量甚至包括光

都無法逃脱它的致命吸引

（NGC 1097天爐座棒旋星系，其星系中心存在一個質量巨大的黑洞，攝影師@嚴智鵬）

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要解答這些問題

首先要從一樁天文疑案講起

01

疑案

1964年

科學家在銀河系內的天鵝座方向

偶然發現一顆藍色恆星

它不僅質量和温度遠超一般恆星

還有兩個疑點令人費解

（參宿二以及周邊星空，參宿二也是一種亮度和質量遠超一般恆星的天體。此圖僅為示意，非天鵝座那顆藍色恆星，攝影師@歐銘枝）

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疑點一

作為銀河系中一顆單獨的恆星

它卻在圍繞銀河系中心公轉的同時

還沿着另一個橢圓軌道打轉

（太陽在銀河系中的位置，它只圍繞着銀河系中心公轉，而無其它公轉運動，圖片來源@NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt）

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疑點二

在這個藍色恆星附近

科學家探測到了強烈的高能輻射

而它本身並不能產生這樣高的能量

難道

這顆恆星周圍還存在另一個天體？

是它的存在改變了恆星的運動軌道

併產生了強烈的輻射嗎？

可是

如果這樣的天體真的存在

人們又為何看不到它呢？

為了解釋這種種疑點

人們想起了一個古老的預言

02

預言

早在十八世紀

就有科學家預言

天空中存在着一種特殊的天體

它的引力非常強大

以至於連光都無法從中逃離

因此我們將無法看見這個天體

這種黑暗的天體就是**“暗星”**

（請橫屏觀看，黑洞藝術家想象圖，黑洞位於圖中最亮區域的中心，圖片來源@ESO/M. Kornmesser）

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然而彼時

人類所知的一切物理學理論

都無法對這種“暗星”

做出合理的解釋

直到1915年

愛因斯坦完成廣義相對論

虛無縹緲的預言才有了真正的理論基礎

不久後

德國軍人兼天文學家卡爾·史瓦西

在一戰前線的戰場上

計算出了“暗星”的半徑公式

首次描述了“暗星”的“勢力”範圍

這個公式稱為史瓦西半徑

而這裏“暗星”的稱呼之後會被

一個更響亮的名字取代

黑洞

（卡爾·史瓦西，愛因斯坦的廣義相對論預言了黑洞的存在，史瓦西給出了該理論方程的第一個解，所以有一種黑洞的類型以他的名字命名，圖片來源@wikimedia commons）

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史瓦西半徑表明

黑洞的質量越大

其“勢力”範圍也就越大

如果將地球壓縮成一個黑洞

那麼它的史瓦西半徑只有約9毫米

相當於1角硬幣的大小

（哈勃望遠鏡和地球，圖片來源@視覺中國）

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以史瓦西半徑為界

黑洞內外就是徹頭徹尾的兩個世界

黑洞內部發生的一切事件

從外部都無法看到

因此這條邊界也被稱為事件視界

（NGC 3201黑洞藝術家想象圖，黑洞對附近的時空產生了影響，圖片來源@ESO/L. Calçada）

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當物質穿過事件視界進入黑洞內部後

將不可抗拒地朝中心落去

那裏是密度無限大的奇點

物質將再無“回頭路”

這聽起來如此神奇

但這樣的黑洞真的存在嗎？

03

線索

就在黑洞的研究蓬勃發展的時候

受到二戰爆發的影響

眾多物理學家紛紛投向原子彈的研究

其中就包括“原子彈之父”奧本海默

他在1930年末從恆星演化角度

預測了黑洞的存在

而1942年

奧本海默被任命為

“曼哈頓計劃”的首席科學家

開始專注於原子彈的研製工作

就這樣

黑洞的話題逐漸被人們遺忘直到另外一種理論天體的發現

重燃了人們研究黑洞的熱情

（奧本海默[左一]正在向周圍的人展示原子彈爆炸的照片，圖片來源@視覺中國）

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1967年

科學家重複接收到

宇宙中一種奇怪的信號

它每隔1.337秒就會準時光顧地球一次

起初科學家以為是外星文明發來的訊息

後來經過確認

這個信號來自一顆高速旋轉的中子星

一種幾乎完全由中子構成的天體

它從天體兩極輻射出的電磁波

不停地掃過深空

就像宇宙燈塔

為浩瀚宇宙中的旅行者指引方向

（高速旋轉的中子星示意，在中子星發現後不久，約翰·惠勒首次使用黑洞一詞，圖片來源@新片場，標註@小黑/星球研究所）

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而中子星和黑洞一樣

皆為恆星的最終宿命

像地球上的生靈

宇宙中的恆星也有“生死”

在恆星生存階段

自身的燃料燃燒讓恆星向外“膨脹”

從而抵抗因物質相互吸引

帶來的向內“收縮”

當兩種力量達到平衡時

恆星便能保持穩定的存在

（正在燃燒的太陽，太陽內部一直髮生着核聚變反應，使得太陽穩定存在了上億年。由於宇宙中恆星等天體質量通常比較大，所以在衡量其體重時一般使用太陽的質量作為基本單位，攝影師@王佳奇）

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但恆星的燃料總會有消耗完的一天

此時燃燒產生的力量消失

恆星在引力作用下急劇向內坍縮

形成一個密度非常大的緻密天體

其他多餘的物質則被拋散出去

恆星就此消亡

而最終會形成什麼緻密天體

取決於恆星的質量

8倍太陽質量以下的恆星坍縮成

表面温度高、體積小的白矮星

它的質量最大僅為1.44倍太陽質量

這也是我們的太陽最後的結局

（天狼星有A星和B星，其中天狼星B於1915年被確定為白矮星，但它在星空中的亮度遠不及A星，所以在地面上我們只能看到A星的光芒。在我國古代星象學中，天狼星“主侵略之兆”，蘇軾在《江城子·密州出獵》中寫到“會挽雕弓如滿月，西北望，射天狼”，以天狼星比擬北宋邊境的西夏，攝影師@王晉）  

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8~30倍太陽質量的恆星會坍縮成

中子星

（船帆座超新星遺蹟，恆星坍縮成中子星後留下的遺蹟，遺蹟區域的物質能量較高，在可見光和X射線波段呈現出明亮的色彩，攝影師@有手就行）

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當中子星質量超過3.2倍太陽質量時

則會進一步坍縮

形成黑洞

（請橫屏觀看，超大質量黑洞藝術家想象圖，圖片來源@NASA/JPL-Caltech）

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此前

這些恆星死亡後形成的緻密天體

只有白矮星被觀測證實

而隨着中子星的發現

人們有理由相信

黑洞

大概率真的存在

那座閃爍的宇宙燈塔

似乎在為人類照亮尋找黑洞真相的方向

04

真相

1975年

著名物理學家霍金

就和同是物理學家的基普·索恩打賭

霍金認為那顆詭異藍色恆星

附近的未知天體不是黑洞

而基普的觀點則與之相反

在隨後多年的觀測中

越來越多的證據表明

那個未知天體的質量為8.7倍太陽質量

超過了中子星3.2倍太陽質量的極限

所以它就是個黑洞

（請橫屏觀看，藝術家想象下天鵝X-1黑洞以及附近的藍色恆星，天鵝座X-1是人類歷史上發現的第一個黑洞，它的名字表示它是天鵝座內發現的第一個X射線源，X射線是一種高能量的電磁波，圖片來源@ESA/Hubble）

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1990年6月的一個晚上

霍金在助手的幫助下闖入基普辦公室

在賭約上簽字認輸

並幽默地在賭約上按上了大拇指印

實際上對於研究黑洞的霍金而言

這正是他所期待的結局

（霍金和基普索恩[左一]，2021年科學家對天鵝座X-1黑洞重新測量的結果為21.2倍太陽質量，圖片來源@視覺中國）

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就這樣

人類發現了第一個黑洞

那麼此前的種種疑點

便都有了合理的解釋

黑洞的存在使得周圍時空發生彎曲

那藍色恆星便沿着彎曲的軌道圍繞黑洞旋轉

這就是黑洞引力作用的體現

（藝術家想象下銀河系中心黑洞的存在導致周圍恆星圍繞其做橢圓運動，標註的藍圈為黑洞位置，圖片來源@ESO/M. Parsa/L. Calçada）

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明白了其中一個疑點

另一個疑點便迎刃而解

黑洞強大的引力

吸引藍色恆星上的物質

使它們旋轉落入黑洞

在周圍堆積成一個盤狀結構

稱為吸積盤

（黑洞吸積盤可視化模擬示意，受黑洞強大的引力作用，不同角度下看到的吸積盤會有不同的變化，黑洞後方吸積盤的光在向前傳播時會發生彎曲，圖片來源@NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman，標註@小黑/星球研究所） 

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盤內的物質相互摩擦

產生數百萬攝氏度的高温

從而產生高能輻射

（黑洞吸積恆星藝術家想象圖，圖片來源@NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)，標註@小黑/星球研究所）

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此外

吸積過來的物質並不是全部落入黑洞中

受到黑洞磁場等因素的作用

一部分物質會匯聚成狹窄的物質流

噴射出去

猶如利劍刺向深空

稱為噴流

這些噴出的物質飄散在宇宙空間

未來將孕育出新的天體

（哈勃空間望遠鏡拍攝到的武仙座A星系中的超長噴流結構，圖片來源@NASA/ESA）

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相較於黑洞本身

它的吸積盤和噴流則明亮可見

這成為天文學家找到黑洞的有力手段

（黑洞結構示意圖，圖片來源@ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann，標註@小黑/星球研究所）

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不僅如此

黑洞的致命吸引還留下了更多蛛絲馬跡

當光經過黑洞周圍時

將不可避免地沿着彎曲的時空傳播

從表面現象來看

光不走直線了

它拐彎了

（黑洞的存在使得經過的光線運動軌跡發生改變，製圖@小黑/星球研究所）

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當黑洞附近存在另一個緻密天體時

這種引力作用會使得

兩個天體圍繞着彼此旋轉靠近

並最終合併成更大質量的黑洞

（雙黑洞環繞運動模擬示意，圖片來源@NASA，標註@小黑/星球研究所）

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在這個過程中

這兩個天體附近彎曲的時空發生了擾動

並以波的形式向外輻射出去

這就是時空的漣漪引力波

（相互圍繞旋轉的兩個緻密天體向外輻射引力波，製圖@小黑/星球研究所）

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2015年，人類首次成功探測到了

雙黑洞合併產生的引力波

它穿越13億光年的距離到達地球

科學家們根據它推算出了雙黑洞的質量

如果説在此之前的天文學

人類是使用“眼睛”看

而引力波的成功探測

則意味着人類可以用“耳朵”

聆聽來自宇宙時空的低語

（美國激光干涉引力波天文台測得的引力波合併事件中黑洞的質量對比，黑洞與其它天體合併是黑洞質量增長的方式之一，製圖@黑砸/星球研究所）

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通過這些方法

人類探尋到了越來越多的黑洞

但在物理學家眼裏它卻是超乎想象的簡單

只需要3個物理量就足以囊括所有

第1個指標是“有多重”

也就是質量

第2個指標是“是否旋轉”

通常用角動量表示

第3個指標是“帶不帶電”

即電荷

按照質量，黑洞可分為三類

小於100倍太陽質量的黑洞

是為恆星級黑洞

宇宙中大部分恆星生命的結局都是這類黑洞

100萬倍太陽質量以上的黑洞

稱為超大質量黑洞

這種級別的黑洞一般存在於星系中心

是星系演化的關鍵“人物”

介於恆星級黑洞和超大質量黑洞之間的

是中等質量黑洞

相較於前兩種黑洞

由於觀測到的數量較少

我們對這種黑洞還缺乏足夠的瞭解

（緻密天體質量與太陽質量對比，太陽並不屬於緻密天體，圖中僅為對比示意，圖片來源@NASA/CXC/視覺中國/王佳奇，製圖@黑砸/星球研究所）

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除了按質量分類

按照角動量和電荷

黑洞還可分為四種類型

（下圖為按照旋轉和電荷的黑洞分類，圖片來源@視覺中國，標註@黑砸/星球研究所）

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儘管已探尋到黑洞如此多的奧秘

但這也只是通過

吸積盤、噴流

引力作用、引力波

這些間接的辦法找尋到它

就像我們無法看到風

但卻可以通過風吹起的沙土

而間接判斷風的存在一樣

（請橫屏觀看，雅丹地貌是一種典型的風蝕地貌，它的形成離不開風的作用，攝影師@孫祺）

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人類的好奇心驅使着科學家迫切地想要

“眼見為實”

黑洞到底長什麼樣子？

是否可以直接讓黑洞現出“真身”？

05

現身

給黑洞拍照片

便是物理學家給出的答案

但這需要

一個史無前例的超大望遠鏡

以觀測超大質量黑洞為目標的

事件視界望遠鏡

（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）

應運而生

（正在“進食”的黑洞藝術家想象圖，明亮的吸積盤和噴流證明了它的存在，圖片來源@Aurore Simonnet and NASA’s Goddard Space Flight Center）

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首先

我們需要選定拍攝對象

為了能夠看得見、拍得清黑洞

質量大、距地球近是必要條件

銀河系附近的M87星系

就正好存在這樣一個超大質量黑洞

它的質量是太陽的65億倍

（M87星系，為圖片中的最亮點，圖片來源@ESO）

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儘管這個黑洞已經如此龐大

但它和地球的距離依然有5500萬光年之遠

從地球上看它

相當於要看清月球表面的腳印

這非常考驗望遠鏡的分辨能力

（從地球上觀測月球上的腳印，製圖@鄭藝/星球研究所）

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望遠鏡的口徑越大

其分辨能力就越高

位於貴州的“中國天眼”

是世界上最大的單口徑射電望遠鏡

它的口徑達到了500米

但這仍無法滿足科學家的要求

想要給黑洞拍照

望遠鏡口徑要達到“地球級別”

（坐落於羣山之間的“中國天眼”，攝影師@酷鳥魏建）

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單個望遠鏡行不通

那就想辦法利用多台望遠鏡

科學家通過特殊的方法

將分佈在全球各地的射電望遠鏡聯合起來

等效成一台口徑更大的虛擬望遠鏡

這就是甚長基線干涉測量技術

（Very Long Baseline Interferometry）

簡稱VLBI

望遠鏡之間的距離稱為基線

而虛擬望遠鏡的口徑相當於

最遠的基線長度

基線越長

虛擬望遠鏡的分辨能力也就越高

（請橫屏觀看，位於四川稻城的圓環陣太陽射電成像望遠鏡，又稱“千眼天珠”，313台天線等效於一個虛擬望遠鏡，攝影師@藍燕斌）

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參與第一次黑洞拍攝的8台望遠鏡分佈在

墨西哥、西班牙、智利、南極

美國夏威夷以及亞利桑那州等地

它們組成了口徑等效於地球直徑的虛擬望遠鏡

（2017年EHT望遠鏡陣列分佈，下圖標註的英文是望遠鏡英文名稱的縮寫，製圖@鄭藝/星球研究所）

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搞定了望遠鏡的口徑

但並不表示可以立即開始觀測了

因為要將它們完美聯合

就必須在同一時刻進行觀測

考慮到天氣、觀測任務安排等諸多因素

參與拍攝的8台射電望遠鏡

在2017年全年的觀測時間只有10天

（請橫屏觀看，位於美國夏威夷州海拔4000米山上的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠鏡（JCMT）與亞毫米波陣列（SMA），高海拔的環境保證了良好的觀測效果，並且必須選擇在晴朗的天氣進行，因為大氣中的水分會對觀測產生影響，攝影師@俞樂）

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觀測時間雖短

但獲得的數據卻很豐富

總共產生的觀測數據量達到了3500TB

換算成電影要三百多年才能看完

而光是處理這些數據

就耗費了2年的時間

2019年4月10日

人類首張黑洞照片公佈

被科學家打趣地稱為**“甜甜圈”**

明亮的外圈是黑洞周圍的吸積盤

而中間的陰影就是黑洞所在的區域

（首張黑洞照片，圖片來源@EHT Collaboration，標註@小黑/星球研究所）

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M87黑洞還有一條長約5000光年的噴流

但這次只拍到了黑洞和它的吸積盤

“家庭成員”並不完整

（M87黑洞的噴流結構，即圖中的長條形狀，圖片來源@wikimedia commons）

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所以在2018年

我國科學家領導的國際團隊

利用相同的技術手段

在新的觀測波段重新為M87黑洞拍照

新波段下的望遠鏡視場更大

能夠看到更多的黑洞結構

不僅如此

望遠鏡的數量也由上次的8台增加到了16台

大大提升了虛擬望遠鏡的成像質量

（2018年參與拍攝黑洞的望遠鏡地理位置分佈如下，製圖@鄭藝/星球研究所）

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2023年4月

科學家公佈了M87黑洞的“全景照”

首次將黑洞及周圍結構成像在一張圖片中

（M87黑洞“全景照”，可以看到噴流結構表現為三部分，形狀類似“三叉戟”，圖片來源@R.-S. Lu (SHAO)/E. Ros (MPIfR)/ S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)，標註@小黑/星球研究所）

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5個月後

我國科學家證明

這個人類首次“看見”的黑洞

是在旋轉的

而在此之前

黑洞是否處於旋轉狀態

並沒有直接的觀測證據

（M87黑洞噴流進動示意，自旋物體的自轉軸還在圍繞另一箇中心軸轉動即表現為進動，素材來源@崔玉竹，Intouchable Lab@Openverse，標註@小黑/星球研究所） 

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除了遙遠的M87黑洞

我們居住的銀河系中心

同樣存在一顆超大質量黑洞

科學家也給它拍下了照片

（2022年公佈的銀河系黑洞照片以及銀河系中心區域，黑洞照片看起來也像個甜甜圈，圖片來源@NASA/CXC/HST/ EHT Collaboration，標註@小黑/星球研究所）  

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對黑洞進行成像是天文學的突破性進展

但這也只是探索黑洞邁出的第一步

未來科學家們還將進行更多嘗試

比如在不同波段給黑洞拍攝**“彩色照片”**

甚至是加上時間維度來拍攝**“黑洞電影”**

也許到那時

伴隨更全面的觀測和理解

黑洞也將不再神秘

06

尾聲

黑洞

以它致命的引力

不僅吸引萬物

也吸引着人類不斷探索

它的存在

曾經超出了人類的想象

即便是愛因斯坦都一度懷疑

但卻最終被證明是真實存在的

宇宙如此神奇

要等到眼見未必太晚

黑洞的探索之旅也告訴我們

只有讓思想不斷狂飆

才能讓人類超越固化的觀念

進入一個新的世界

所以

在接下來的探索旅程中

請讓思想繼續狂飆

但不止一百年

（頭頂的星空充滿了無限未知與可能，攝影師@Windsky）

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本文創作團隊

**撰文：星河編輯：**李黑梨

**圖片：張釗海地圖：**鄭藝

**設計：**小黑&黑砸

**審校：**王昆&松楠

**封面來源：**NASA/JPL-Caltech

審核專家

南方科技大學理論物理博士 馮海源

注：本文討論的黑洞事件視界和奇點是基於史瓦西黑洞背景。

【參考文獻】

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