一分鐘了解黑洞背后的科學？

若何用中學生能懂的說話講黑洞背后的科學？

編者按

4月10日，人類第一張黑洞照片激發了全宿世界的存眷和鋪天蓋地的解讀，但非專業性的報道經常無法知足人們深切的好奇心，甚至無法包管精確性；專業人士寫的科普又經常需要讀者具備必然的根本常識，以至于很多非專業讀者對黑洞仿照照舊布滿了疑問，更遑論搞清晰所謂的“第一張黑洞照片”是怎么回事。

本著把深邃的物理用淺近易懂的說話標的目的公家表達清晰的初志，我們邀請了加州州立大學舊金山分校物理與天文系滿威寧傳授，從非專業讀者的角度“從頭說起”，于是有了這篇兼顧趣味性和專業性，通俗又嚴謹的黑洞科普。

4月10日，由事務視界千里鏡（Event Horizon Telescope, EHT）拍攝到的人類汗青上第一張黑洞照片正式標的目的全球發布。

△M87黑洞（來歷：EHT)

這張圖展示的是室女座星系團中的大質量星系M87中間的黑洞。來自全球的跨越200位科學家介入此中，耗時十六年，終于還原了黑洞的真實臉孔。

什么是黑洞？黑洞是怎么拍攝的？我們出格邀請了加州州立大學舊金山分校物理與天文系終身傳授滿威寧給大師帶來今天的"眾妙之門"。

什么是黑洞？

起首黑洞并不是一個洞，而是當一個天體的萬有引力壯大到連四周的光都沒有法子逃出去，它就當作為了黑洞。

我們都熟悉牛頓和蘋果的故事：牛頓在思慮蘋果為什么會失落落時發現了萬有引力，也就是任何兩個物體之間都存在互相吸引的萬有引力。月亮一向繞著地球轉，而地球一向繞著太陽轉，都是因為萬有引力。

△牛頓和蘋果的故事( 來歷：谷歌圖片）

我們糊口中的經驗是，扔出去的工具總會失落下來，那也是因為地球對這些工具都有很強的吸引力。那么能不克不及讓扔出去的工具不失落下來呢？倒真的可以，若是速度足夠快的話——我們的高鐵大要是100米每秒，也就是說比高鐵大要快八十倍，若是發射工具的速度達到每秒鐘接近8000米，就可以讓它像衛星那樣環繞著地球扭轉不失落下來。若是速度更快，達到11000多米每秒，就可以徹底逃走地球的引力。再快的話，從地球出發，發射速度達到1.67萬米每秒，也就是說16.7公里每秒，就可以逃離太陽系了。

△宇宙速度示意圖（來歷：《十萬個為什么》）

總而言之，天體的質量越大，引力就越大，四周的物質就越難逃出它的引力束厄局促，需要很快的速度才可以或許逃出去。而宇宙間最快的速度是在真空中的光或者電磁波傳布的速度，約為30萬公里每秒，也就是說每秒鐘可以或許繞地球7.5圈，這是我們這個宇宙中傳遞物質或者信息的速度極限。

廣義相對論預言能存在引力結果壯大到連光速都逃不出的天體，四周的光會被它吞噬，所以上宿世紀60年月普林斯頓的理論物理學家John Wheeler給它們定名為“黑洞”。

黑洞長什么樣？

黑洞的中心有必然的規模，這是連光都逃不出來的規模，我們把它叫做視界。在黑洞視界四周的其他物質也都被黑洞的引力吞噬，形當作快速扭轉的漩渦，被吸入黑洞，這部門叫做吸積盤。吸積盤因為釋放引力能量和快速扭轉摩擦以及磁能發生龐大的高溫，釋放出光和熱，也就是電磁波。

因為萬有引力的強度是跟著距離的增添而快速削弱的，吸積盤外圍的引力可以或許吞噬此外物體卻無法反對電磁波的逃逸了。別的，因為吸積盤概況的磁場沿著黑洞自轉軸的偏向會發生扭曲，所以吸積盤會標的目的外發射大量的高速粒子流，形當作一種垂直于吸積盤偏向的噴流。

△恒星標準的黑洞系統示意圖，噴流來自吸積盤，其直徑并不僅局限圖中顯示的標準。（來歷：GETIT01）

此刻發現的黑洞本家兒要有兩種尺寸，有一種小一點，是恒星的標準，大要是太陽質量的幾倍到幾十倍。恒星標準的黑洞一般是在恒星慢慢燃盡滅亡的過程中，最終塌縮形當作。

而別的一種黑洞就是超大尺寸的，他們有百萬個太陽甚至幾百億個太陽那么大，這樣超大標準的黑洞一般存在于星系的中間，好比我們銀河系的中間也有一個很大的黑洞，科學家們也正在拍攝它的照片。

此次拍攝的黑洞在哪？

起首大師別擔憂，這個黑洞距離我們很是遠，有5000多萬光年。它的質量是太陽的65億倍，也就是說它所含的物質接近銀河系的1%，其實是太大了。

5000多萬光年是什么概念？我們浩瀚的銀河系的直徑大要是16萬光年，包含著幾千億顆恒星，而這個黑洞與我們的距離有300多個銀河系連起來那么遠。

△銀河系（來歷：谷歌圖片）

室女座星系團在室女座的偏向，此中包含M87巨型橢圓星系，這個星系中間的黑洞是此次拍攝的對象。室女座就是大師凡是說的童貞座，是銀河系內距離我們幾百至幾千光年的一些恒星構成的星座。而室女座星系團比室女座要遠得多，距離我們有五六萬萬光年。

光年不是時候單元，而是長度單元。它指的是光或者電磁波在真空中花一年的時候所走的距離。真空中的光速是30萬公里每秒。我們地球到太陽的距離，光需要走8.3分鐘，而太陽光達到海王星要花四個小時的時候。若是是橫穿銀河系，光要走上16萬年才行。

那么我們此次給黑洞攝影，所拍攝到的電磁波旌旗燈號，最快也要5000多萬年才可以或許達到地球。

換句話說，我們領受到的是5000多萬年以前從黑洞的吸積盤發射出來的電磁波，拍到的是5000多萬年以前的它的樣子。那個時辰地球上的恐龍才滅盡不久，哺乳動物才方才起頭鼓起，印度次大陸和歐亞大陸還沒有相撞，喜馬拉雅山也都還不存在呢！

為什么拍這么遠的黑洞？

最本家兒要的原因仍是因為它盡管很遠，可是很大。最后大師在照片里看到的黑色暗影區域，比好幾個太陽系加起來都大。從下圖中可以看到，這個黑洞的暗影區域與太陽系（冥王星軌道）尺寸的比力。圖中Voyager 1暗示的是1977年發射的觀光者一號（最遠的人造飛翔器）此刻相對太陽的位置。注重黑色暗影區域是真正黑洞巨細的(27/4)1/2，約2.6倍。

△M87 中間的超大黑洞和太陽系巨細的比力

一個天體的直徑除以它到地球的距離，是它對我們張開的角度，這個張角決議了它看起來的巨細。其實人類這一次拍攝有兩個候選黑洞，一個是M87星系中間的超大黑洞，別的一個就是我們銀河系中間的超大黑洞。銀河系中間的那個黑洞比起這個M87黑洞距離要近2000倍，尺寸也小1500倍，所以張角是差不多的。它們看起來有多小呢？就仿佛我們從地球上去看月球概況上的一個橙子那么小，所以要拍攝它們是半斤八兩堅苦的。可是人類發現的此外距離地球更近的黑洞質量更小，吸積盤的尺寸也更小，更難拍。

△哈勃千里鏡拍攝的M87星系中間黑洞的噴流（來歷：Hubblesite）

別的這個M87黑洞的吸積盤的中間軸比力正對著地球。這是從哈勃千里鏡曾經拍攝到的它的噴流判定的。并且這個黑洞出格地活躍，來自吸積盤的電磁波旌旗燈號出格地強，所以比銀河系中間那個黑洞更好拍。

為什么要給黑洞攝影？

人類第一張黑洞的照片有什么主要的意義呢？這是一個很是深刻的問題，我們不妨在這個問題上稍微多花一點時候。

廣義相對論

牛頓發現了萬有引力的存在，可以很好地詮釋天體的運行紀律。可是一向以來人們并不知道為什么會有萬有引力？萬有引力的巨細又為什么與天體的質量的乘積當作正比，與天體之間距離的平方當作反比？

1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，對萬有引力做領會釋: 萬有引力的素質原因是質量會扭曲四周的時候空間。在很大質量的物體四周，時空扭曲比力較著，就會表示出較大的吸引其他物體的引力。

△來歷：Kidskunst

廣義相對論的提出傾覆了全人類對時候和空間的認知。疇前人們認為宇宙間的物質僅僅是時候和空間舞臺上的介入者，而現實上宇宙間的物質也是時候和空間的機關師。

引用普林斯頓大學傳授John Wheeler的總結，廣義相對論的精髓是“時空決議物質若何活動，而物質決議時空若何彎曲”。

△來歷：James Provost

廣義相對論在1919年就被證實了——在日全食的時辰，不雅測到的星光會被太陽的引力所彎折（可以理解為扭曲了時空自己）。此后，時空被質量復雜的天體所扭曲，這一現象有了普遍的應用。好比說引力透鏡，就是在遙遠星系的光源和我們之間若是有復雜的天體彎折了光線，我們看到的星系就仿佛是經由過程光學透鏡看到的結果。經由過程闡發達到地球的光一路的彎折環境，人們就可以闡發宇宙間的質量分布，哪里有超強的引力彎折結果，就代表哪里有復雜的質量。出格是對于宇宙間大量不介入電磁彼此感化，沒有任何光或者電磁波的暗物質，經由過程引力來探測它們是今朝最主要的方式。（趁便說一句，我們日常平凡說的可見光是電磁波的一種。）

黑洞：從預言到不雅測、證實

經由過程廣義相對論，德國物理學家天文學家KarlSchwarzschild和新西蘭數學家Roy Patrick Kerr早就預言了黑洞的存在，人們也曾經間接地不雅測到了黑洞的存在。好比不雅察星體和物質環繞黑洞的活動環境——復雜的銀河系也是環繞著銀河中間的黑洞在不竭扭轉的，經由過程不雅察環繞黑洞活動的星體和其他物質，人們可以估算出黑洞的質量以及尺寸等信息。

別的，在物體被黑洞吞噬之前，因為釋放出壯大的引力能量以及摩擦發生極高的溫度，吸積盤可能發射出不平常的伽馬射線，還有垂直吸積盤可能噴發出的噴流等等，這些都曾被探測到。

黑洞的超強引力會引起良多新的物理現象。我們銀河系中間的黑洞有400萬太陽質量那么大。有人思疑是它發生了兩個伽馬射線大泡泡。

可是人們究竟結果從來沒有真正看到過黑洞自己到底是什么樣子。

從三年前，科學家頒布發表發現了引力波，到此刻已經有了至少5次當作功的引力波不雅測記實。第一次發現的引力波來自于兩個幾十個太陽質量的黑洞的碰撞和融合，人類探測到這個引力波，就像是聽到了一次黑洞相撞的聲音。

△黑洞相撞發生的引力波示意圖（來歷：DISSOLVE.COM）

而直接拍攝到來自黑洞四周吸積盤的電磁波，就比如是第一次真的看到黑洞的樣子，它的一個主要的意義就是又一次證實了廣義相對論。其所拍到的具體圖像固然恍惚，但圖像的環狀和不合錯誤稱新月形都已經表現出了合適廣義相對論的展望。

領會黑洞和星系演化

除此之外，對黑洞的拍攝可以幫忙我們切確地領會黑洞的尺寸和質量，領會黑洞四周吸積盤的形當作和活動，領會黑洞的演變。因為小尺寸黑洞的形當作往往是來自于恒星的滅亡和塌縮，超大質量黑洞也往往存在于星系的中間，所以對黑洞的拍攝和研究，也可以幫忙我們去領會星系的演化等等。

黑洞照片是怎么拍的？

這應該是大師都好奇的問題。黑洞不是連光都吞噬失落了嗎？那是怎么拍到黑洞的呢？我們不妨把這個問題分當作幾個部門，我們拍哪里？拍什么旌旗燈號？用什么工具拍？

大師都知道這張黑洞照片是由事務視界千里鏡（Event Horizon Telescope, EHT）拍攝獲得的。這是從2006年就起頭的一個大項目，組織了200多人介入，方針就是不雅測星系中心超大質量黑洞。

這個“視界“就是黑洞四周光都不克不及逃出的大致位置規模，視界的四周有一圈復雜的發光發燒的飛速扭轉的吸積盤，簡單地說，我們是領受高速扭轉的吸積盤發出的電磁波來拍攝吸積盤以及中心的視界暗影。視界暗影的直徑是現實黑洞的2.6倍。

我們拍的是什么旌旗燈號？

日常平凡我們攝影的時辰都是用我們眼睛所可以或許看得見的可見光，可是在一個黑漆漆的夜晚，若是沒有光源，眼睛什么都看不見，就可以用紅外線攝像頭來捕獲紅外線旌旗燈號。

你和我固然不發光，可是你我的體溫比四周的情況溫度要高，比情況物品發出更多的紅外線。甚至包羅我們打的噴嚏放的屁，在這樣紅外線攝像頭的記實下都無所遁形，溫度越高，紅外線越強。

△紅外線當作像（來歷：Reddit）

來自吸積盤的電磁波除了紅外線、可見光、紫外線、伽瑪射線，還有分歧波長的無線電波，射電千里鏡能領受的毫米波段可以相對無障礙地經由過程我們的大氣層，所以此次拍攝的旌旗燈號是去匯集來自這個黑洞四周吸積盤發出的，波長大約在一毫米的無線電波旌旗燈號。

△電磁波光譜圖（來歷：Science Varia）

顯然這些被拍攝到的旌旗燈號不是紅色或者黃色的光，我們看到照片里的紅色和黃色只是暗示分歧位置拍攝到毫米波旌旗燈號的強和弱。我們的眼睛是看不到紅外線的，但紅外線照片可以把旌旗燈號轉當作口角圖片，白的位置代表旌旗燈號強，黑的代表旌旗燈號弱。

△口角顯示的紅外線強度照片（來歷：Reddit）

為了讓我們視覺上看得更清晰，也可以用分歧的色彩來暗示旌旗燈號的強弱，并不是說真的拍到了有色光的照片。

用什么設備拍黑洞？

適才我們提到可以領受這些毫米波的射電千里鏡不是零丁一個，而是八組射電千里鏡，分布在智利、夏威夷、南極洲、亞利桑那、西班牙和墨西哥。此中包羅位于南極洲的直徑十米的南極射電千里鏡，以及位于智利和夏威夷的兩個大型射電千里鏡陣列。

△位于智利的毫米波亞毫米波千里鏡陣列（來歷：ALMA）

△南極射電千里鏡（來歷：Dan Marrone）

△八組射電千里鏡（藍點）的分布（來歷：ESO/O.Furtak）

他們加在一路同步拍攝，操縱一種叫做甚長基線干與儀的手藝（Very Long Baseline Interferometry），讓這些跨越半個地球的射電千里鏡組合起來，達到一個直徑半斤八兩于地球尺寸的超大千里鏡的結果。千里鏡的角分辯率大約等于波長除以有用直徑。有用直徑越大，就可以或許分辯張角越小的天體。

他們靠原子鐘來完當作同步時候，用波的干與道理來處置數據，終于完當作了看似不成能的使命：去拍攝一個看起來像月球上放了一個橙子，那么小的一個點。

中國介入拍攝黑洞了嗎？

其實中國的科學家和射電千里鏡在前期定位M87拍攝打算的時辰是有進獻的。可是中國的射電千里鏡沒有直接介入這一次的八組射電千里鏡組合有兩個原因。

起首，中國在東半球。當那八個千里鏡地點的處所對著那個黑洞的時辰，中國在地球的后背，沒法子同步不雅測。

別的，中國的大型射電千里鏡，好比貴州天眼，領受的電磁波的波長，與此次同步黑洞拍攝所用的毫米波的波長也略有不同。

為什么黑洞照片如斯恍惚？

歸根結底就是因為其實是太小了，半斤八兩于用有用直徑達到地球這么大的千里鏡，放大倍數如斯之大仍然只能拍到有限的少量像素點。

地球只有這么大，這項手藝是不是到這里就到頭了呢？

現實上用多個射電千里鏡組合起來進行干與的超長基線干與儀系統，是可以借助被發射到空中的射電千里鏡一路來工作的。那樣就可以獲得有用直徑比地球尺寸更大的千里鏡，可以拍得更清晰，也可以拍更小的天體。

△有用直徑比地球更大的千里鏡系統示意圖（來歷：知乎）

為什么黑洞照片需要用兩年時候才洗出來？

所謂的洗出來就是從拍攝的大量的數據傍邊，找到有效的旌旗燈號，還原出被拍攝物體上每個位置的電磁波旌旗燈號強度，生當作出這張照片。

之所以這么慢，起首是因為從八個不雅測點的射電千里鏡持續五天所不雅測到的數據太多了，一共用了半噸的硬盤，如斯復雜的數據，要用大量的時候來處置。

其次，八個不雅測點的數據綜合起來，用干與的法子去還原波源的信息，需要很是復雜的算法。最大的挑戰在于精準的校對統一個旌旗燈號達到分歧位置的時候差，然后綜合分歧千里鏡的位置信息，旌旗燈號的強度以實時間差，推出電磁波的強度和位置。

并且這半噸的硬盤數據里不僅僅是黑洞吸積盤的旌旗燈號，還包羅天空中各類各樣復雜凌亂的噪音數據，都需要被小心地辨別剔除。

別的為了避免報酬錯誤造當作的誤差，后期處置的時辰是由兩組團隊別離進行，然后再把成果拿到一路校對，才能削減因報酬錯誤對最終成果造當作的影響。于是花了兩年，終于在2019年的4月發布了第一張人類所拍攝的黑洞照片。

滿傳授的寄語

一場轟轟烈烈的、刷爆伴侶圈的見證人類首張黑洞照片問宿世的事務已經落幕了。但愿我們的聽眾伴侶不僅僅是趕了一次時髦，看了一次熱鬧，而是可以或許一向不斷地去進修下去，思慮下去。

今天我給大師講的這些內容，有良多也是我的一些具有根基專業布景的人問過我的問題，在去回覆這些問題的時辰，我也思慮和學到了良多。

但愿大師在贊嘆于人類科技各類不成思議的偉大當作就的同時，并不把這一切都當做理所當然，而是連結好奇心，一向去發問、去思慮，甚至包羅去質疑。

不僅知道什么工具叫什么名字，更主要的是理解什么工具為什么。

你想想，在一兩千年以前人類還在刀耕火種。340年以前，瓦特才發現了蒸汽機，萊特兄弟的第一架飛機是1903年才發現的，而第一部手機的發現是1973年，也就是不到50年以前。

△人類科技成長曲線圖（來歷：M.Hilbert）

我們處在科技前所未有的加快飛速成長期間。人類科學手藝在幾十年甚至十幾年里取得的前進，遠弘遠于曾經幾十萬年漫長的進化成果，從人類第一次有了電，有了機械，人類最起頭有了激光，有了計較機，有了互聯網，一個相對來說比力短暫的時候里，在宇宙中如斯細微的人類締造出了良多的古跡，為的是去窺探如斯弘大如斯遙遠的宇宙。

將來的幾十年，科技又會成長當作什么樣呢？僅僅知足于前人告訴你的書本上的常識，將會是遠遠不敷的，我們要有能力一向進修和思慮。

我們每一小我相對于地球來說是那么的細微，我們的地球相對于宇宙來說加倍是眇乎小哉。可是快樂喜愛科學還有天文，能讓我們擁抱如斯了不得的宇宙。

吾生也有涯，而知無涯。

讓我們每小我一邊意識到本身的眇乎小哉，一邊著眼于廣袤的宿世界，去見證人類文明的每一次輝煌，甚至去親自介入創作發明。你也可以的！

- 答讀者問 -

為什么哈勃千里鏡拍到的星系大多是扁扁的（橢圓的），而第一次拍到的黑洞照片，就是“圓”的，比力正對著地球？

是的，星系都有自轉，凡是都是盤狀的，盤面垂直于自轉軸。所以從肆意角度不雅察一個星系，大要率看起來是橢圓的（扁的），只有剛好從正面看，星系才不是扁的。

而從哈勃千里鏡拍到的M87黑洞的噴流照片可以看出，Ｍ87的噴流偏向比力正對著哈勃千里鏡，也就是說這個黑洞的吸積盤盤面確實比力正對著地球。這是這個黑洞比力輕易被發現和被拍攝的原因之一。

值得注重的是，因為黑洞壯大的引力，即使從黑洞吸積盤側面去看也不是橢圓的，或者薄薄的盤沿。

如上圖所示，圖中紅色部門代表黑洞的吸積盤。若是不雅測和拍攝的偏向是斜著側對著黑洞的吸積盤（右側灰色線段代表旌旗燈號領受器），因為黑洞壯大的引力彎折效應，吸積盤上方和下方的電磁波（光線）都可以被大幅度彎折，而達到右側的領受器。所以側面領受器領受到的圖像（由右圖顯示）不是一個薄薄的吸積盤盤沿，而是在視界暗影上下很大規模內都有旌旗燈號，其顯示的外形和尺寸由黑洞的引力（時空彎折效應）分布決議。

滿威寧