一分钟了解黑洞背后的科学？

若何用中学生能懂的说话讲黑洞背后的科学？

编者按

4月10日，人类第一张黑洞照片激发了全宿世界的存眷和铺天盖地的解读，但非专业性的报道经常无法知足人们深切的好奇心，甚至无法包管精确性；专业人士写的科普又经常需要读者具备必然的根本常识，以至于很多非专业读者对黑洞仿照照旧布满了疑问，更遑论搞清晰所谓的“第一张黑洞照片”是怎么回事。

本着把深邃的物理用浅近易懂的说话标的目的公家表达清晰的初志，我们邀请了加州州立大学旧金山分校物理与天文系满威宁传授，从非专业读者的角度“从头说起”，于是有了这篇兼顾趣味性和专业性，通俗又严谨的黑洞科普。

4月10日，由事务视界千里镜（Event Horizon Telescope, EHT）拍摄到的人类汗青上第一张黑洞照片正式标的目的全球发布。

△M87黑洞（来历：EHT)

这张图展示的是室女座星系团中的大质量星系M87中间的黑洞。来自全球的跨越200位科学家介入此中，耗时十六年，终于还原了黑洞的真实脸孔。

什么是黑洞？黑洞是怎么拍摄的？我们出格邀请了加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身传授满威宁给大师带来今天的"众妙之门"。

什么是黑洞？

起首黑洞并不是一个洞，而是当一个天体的万有引力壮大到连四周的光都没有法子逃出去，它就当作为了黑洞。

我们都熟悉牛顿和苹果的故事：牛顿在思虑苹果为什么会失落落时发现了万有引力，也就是任何两个物体之间都存在互相吸引的万有引力。月亮一向绕着地球转，而地球一向绕着太阳转，都是因为万有引力。

△牛顿和苹果的故事( 来历：谷歌图片）

我们糊口中的经验是，扔出去的工具总会失落下来，那也是因为地球对这些工具都有很强的吸引力。那么能不克不及让扔出去的工具不失落下来呢？倒真的可以，若是速度足够快的话——我们的高铁大要是100米每秒，也就是说比高铁大要快八十倍，若是发射工具的速度达到每秒钟接近8000米，就可以让它像卫星那样环绕着地球扭转不失落下来。若是速度更快，达到11000多米每秒，就可以彻底逃走地球的引力。再快的话，从地球出发，发射速度达到1.67万米每秒，也就是说16.7公里每秒，就可以逃离太阳系了。

△宇宙速度示意图（来历：《十万个为什么》）

总而言之，天体的质量越大，引力就越大，四周的物质就越难逃出它的引力束厄局促，需要很快的速度才可以或许逃出去。而宇宙间最快的速度是在真空中的光或者电磁波传布的速度，约为30万公里每秒，也就是说每秒钟可以或许绕地球7.5圈，这是我们这个宇宙中传递物质或者信息的速度极限。

广义相对论预言能存在引力结果壮大到连光速都逃不出的天体，四周的光会被它吞噬，所以上宿世纪60年月普林斯顿的理论物理学家John Wheeler给它们定名为“黑洞”。

黑洞长什么样？

黑洞的中心有必然的规模，这是连光都逃不出来的规模，我们把它叫做视界。在黑洞视界四周的其他物质也都被黑洞的引力吞噬，形当作快速扭转的漩涡，被吸入黑洞，这部门叫做吸积盘。吸积盘因为释放引力能量和快速扭转摩擦以及磁能发生庞大的高温，释放出光和热，也就是电磁波。

因为万有引力的强度是跟着距离的增添而快速削弱的，吸积盘外围的引力可以或许吞噬此外物体却无法反对电磁波的逃逸了。别的，因为吸积盘概况的磁场沿着黑洞自转轴的偏向会发生扭曲，所以吸积盘会标的目的外发射大量的高速粒子流，形当作一种垂直于吸积盘偏向的喷流。

△恒星标准的黑洞系统示意图，喷流来自吸积盘，其直径并不仅局限图中显示的标准。（来历：GETIT01）

此刻发现的黑洞本家儿要有两种尺寸，有一种小一点，是恒星的标准，大要是太阳质量的几倍到几十倍。恒星标准的黑洞一般是在恒星慢慢燃尽灭亡的过程中，最终塌缩形当作。

而别的一种黑洞就是超大尺寸的，他们有百万个太阳甚至几百亿个太阳那么大，这样超大标准的黑洞一般存在于星系的中间，好比我们银河系的中间也有一个很大的黑洞，科学家们也正在拍摄它的照片。

此次拍摄的黑洞在哪？

起首大师别担忧，这个黑洞距离我们很是远，有5000多万光年。它的质量是太阳的65亿倍，也就是说它所含的物质接近银河系的1%，其实是太大了。

5000多万光年是什么概念？我们浩瀚的银河系的直径大要是16万光年，包含着几千亿颗恒星，而这个黑洞与我们的距离有300多个银河系连起来那么远。

△银河系（来历：谷歌图片）

室女座星系团在室女座的偏向，此中包含M87巨型椭圆星系，这个星系中间的黑洞是此次拍摄的对象。室女座就是大师凡是说的童贞座，是银河系内距离我们几百至几千光年的一些恒星构成的星座。而室女座星系团比室女座要远得多，距离我们有五六万万光年。

光年不是时候单元，而是长度单元。它指的是光或者电磁波在真空中花一年的时候所走的距离。真空中的光速是30万公里每秒。我们地球到太阳的距离，光需要走8.3分钟，而太阳光达到海王星要花四个小时的时候。若是是横穿银河系，光要走上16万年才行。

那么我们此次给黑洞摄影，所拍摄到的电磁波旌旗灯号，最快也要5000多万年才可以或许达到地球。

换句话说，我们领受到的是5000多万年以前从黑洞的吸积盘发射出来的电磁波，拍到的是5000多万年以前的它的样子。那个时辰地球上的恐龙才灭尽不久，哺乳动物才方才起头鼓起，印度次大陆和欧亚大陆还没有相撞，喜马拉雅山也都还不存在呢！

为什么拍这么远的黑洞？

最本家儿要的原因仍是因为它尽管很远，可是很大。最后大师在照片里看到的黑色暗影区域，比好几个太阳系加起来都大。从下图中可以看到，这个黑洞的暗影区域与太阳系（冥王星轨道）尺寸的比力。图中Voyager 1暗示的是1977年发射的观光者一号（最远的人造飞翔器）此刻相对太阳的位置。注重黑色暗影区域是真正黑洞巨细的(27/4)1/2，约2.6倍。

△M87 中间的超大黑洞和太阳系巨细的比力

一个天体的直径除以它到地球的距离，是它对我们张开的角度，这个张角决议了它看起来的巨细。其实人类这一次拍摄有两个候选黑洞，一个是M87星系中间的超大黑洞，别的一个就是我们银河系中间的超大黑洞。银河系中间的那个黑洞比起这个M87黑洞距离要近2000倍，尺寸也小1500倍，所以张角是差不多的。它们看起来有多小呢？就仿佛我们从地球上去看月球概况上的一个橙子那么小，所以要拍摄它们是半斤八两坚苦的。可是人类发现的此外距离地球更近的黑洞质量更小，吸积盘的尺寸也更小，更难拍。

△哈勃千里镜拍摄的M87星系中间黑洞的喷流（来历：Hubblesite）

别的这个M87黑洞的吸积盘的中间轴比力正对着地球。这是从哈勃千里镜曾经拍摄到的它的喷流判定的。并且这个黑洞出格地活跃，来自吸积盘的电磁波旌旗灯号出格地强，所以比银河系中间那个黑洞更好拍。

为什么要给黑洞摄影？

人类第一张黑洞的照片有什么主要的意义呢？这是一个很是深刻的问题，我们不妨在这个问题上稍微多花一点时候。

广义相对论

牛顿发现了万有引力的存在，可以很好地诠释天体的运行纪律。可是一向以来人们并不知道为什么会有万有引力？万有引力的巨细又为什么与天体的质量的乘积当作正比，与天体之间距离的平方当作反比？

1915年，爱因斯坦提出广义相对论，对万有引力做领会释: 万有引力的素质原因是质量会扭曲四周的时候空间。在很大质量的物体四周，时空扭曲比力较着，就会表示出较大的吸引其他物体的引力。

△来历：Kidskunst

广义相对论的提出倾覆了全人类对时候和空间的认知。畴前人们认为宇宙间的物质仅仅是时候和空间舞台上的介入者，而现实上宇宙间的物质也是时候和空间的机关师。

引用普林斯顿大学传授John Wheeler的总结，广义相对论的精髓是“时空决议物质若何活动，而物质决议时空若何弯曲”。

△来历：James Provost

广义相对论在1919年就被证实了——在日全食的时辰，不雅测到的星光会被太阳的引力所弯折（可以理解为扭曲了时空自己）。此后，时空被质量复杂的天体所扭曲，这一现象有了普遍的应用。好比说引力透镜，就是在遥远星系的光源和我们之间若是有复杂的天体弯折了光线，我们看到的星系就仿佛是经由过程光学透镜看到的结果。经由过程阐发达到地球的光一路的弯折环境，人们就可以阐发宇宙间的质量分布，哪里有超强的引力弯折结果，就代表哪里有复杂的质量。出格是对于宇宙间大量不介入电磁彼此感化，没有任何光或者电磁波的暗物质，经由过程引力来探测它们是今朝最主要的方式。（趁便说一句，我们日常平凡说的可见光是电磁波的一种。）

黑洞：从预言到不雅测、证实

经由过程广义相对论，德国物理学家天文学家KarlSchwarzschild和新西兰数学家Roy Patrick Kerr早就预言了黑洞的存在，人们也曾经间接地不雅测到了黑洞的存在。好比不雅察星体和物质环绕黑洞的活动环境——复杂的银河系也是环绕着银河中间的黑洞在不竭扭转的，经由过程不雅察环绕黑洞活动的星体和其他物质，人们可以估算出黑洞的质量以及尺寸等信息。

别的，在物体被黑洞吞噬之前，因为释放出壮大的引力能量以及摩擦发生极高的温度，吸积盘可能发射出不平常的伽马射线，还有垂直吸积盘可能喷发出的喷流等等，这些都曾被探测到。

黑洞的超强引力会引起良多新的物理现象。我们银河系中间的黑洞有400万太阳质量那么大。有人思疑是它发生了两个伽马射线大泡泡。

可是人们究竟结果从来没有真正看到过黑洞自己到底是什么样子。

从三年前，科学家颁布发表发现了引力波，到此刻已经有了至少5次当作功的引力波不雅测记实。第一次发现的引力波来自于两个几十个太阳质量的黑洞的碰撞和融合，人类探测到这个引力波，就像是听到了一次黑洞相撞的声音。

△黑洞相撞发生的引力波示意图（来历：DISSOLVE.COM）

而直接拍摄到来自黑洞四周吸积盘的电磁波，就比如是第一次真的看到黑洞的样子，它的一个主要的意义就是又一次证实了广义相对论。其所拍到的具体图像固然恍惚，但图像的环状和不合错误称新月形都已经表现出了合适广义相对论的展望。

领会黑洞和星系演化

除此之外，对黑洞的拍摄可以帮忙我们切确地领会黑洞的尺寸和质量，领会黑洞四周吸积盘的形当作和活动，领会黑洞的演变。因为小尺寸黑洞的形当作往往是来自于恒星的灭亡和塌缩，超大质量黑洞也往往存在于星系的中间，所以对黑洞的拍摄和研究，也可以帮忙我们去领会星系的演化等等。

黑洞照片是怎么拍的？

这应该是大师都好奇的问题。黑洞不是连光都吞噬失落了吗？那是怎么拍到黑洞的呢？我们不妨把这个问题分当作几个部门，我们拍哪里？拍什么旌旗灯号？用什么工具拍？

大师都知道这张黑洞照片是由事务视界千里镜（Event Horizon Telescope, EHT）拍摄获得的。这是从2006年就起头的一个大项目，组织了200多人介入，方针就是不雅测星系中心超大质量黑洞。

这个“视界“就是黑洞四周光都不克不及逃出的大致位置规模，视界的四周有一圈复杂的发光发烧的飞速扭转的吸积盘，简单地说，我们是领受高速扭转的吸积盘发出的电磁波来拍摄吸积盘以及中心的视界暗影。视界暗影的直径是现实黑洞的2.6倍。

我们拍的是什么旌旗灯号？

日常平凡我们摄影的时辰都是用我们眼睛所可以或许看得见的可见光，可是在一个黑漆漆的夜晚，若是没有光源，眼睛什么都看不见，就可以用红外线摄像头来捕获红外线旌旗灯号。

你和我固然不发光，可是你我的体温比四周的情况温度要高，比情况物品发出更多的红外线。甚至包罗我们打的喷嚏放的屁，在这样红外线摄像头的记实下都无所遁形，温度越高，红外线越强。

△红外线当作像（来历：Reddit）

来自吸积盘的电磁波除了红外线、可见光、紫外线、伽玛射线，还有分歧波长的无线电波，射电千里镜能领受的毫米波段可以相对无障碍地经由过程我们的大气层，所以此次拍摄的旌旗灯号是去汇集来自这个黑洞四周吸积盘发出的，波长大约在一毫米的无线电波旌旗灯号。

△电磁波光谱图（来历：Science Varia）

显然这些被拍摄到的旌旗灯号不是红色或者黄色的光，我们看到照片里的红色和黄色只是暗示分歧位置拍摄到毫米波旌旗灯号的强和弱。我们的眼睛是看不到红外线的，但红外线照片可以把旌旗灯号转当作口角图片，白的位置代表旌旗灯号强，黑的代表旌旗灯号弱。

△口角显示的红外线强度照片（来历：Reddit）

为了让我们视觉上看得更清晰，也可以用分歧的色彩来暗示旌旗灯号的强弱，并不是说真的拍到了有色光的照片。

用什么设备拍黑洞？

适才我们提到可以领受这些毫米波的射电千里镜不是零丁一个，而是八组射电千里镜，分布在智利、夏威夷、南极洲、亚利桑那、西班牙和墨西哥。此中包罗位于南极洲的直径十米的南极射电千里镜，以及位于智利和夏威夷的两个大型射电千里镜阵列。

△位于智利的毫米波亚毫米波千里镜阵列（来历：ALMA）

△南极射电千里镜（来历：Dan Marrone）

△八组射电千里镜（蓝点）的分布（来历：ESO/O.Furtak）

他们加在一路同步拍摄，操纵一种叫做甚长基线干与仪的手艺（Very Long Baseline Interferometry），让这些跨越半个地球的射电千里镜组合起来，达到一个直径半斤八两于地球尺寸的超大千里镜的结果。千里镜的角分辩率大约等于波长除以有用直径。有用直径越大，就可以或许分辩张角越小的天体。

他们靠原子钟来完当作同步时候，用波的干与道理来处置数据，终于完当作了看似不成能的使命：去拍摄一个看起来像月球上放了一个橙子，那么小的一个点。

中国介入拍摄黑洞了吗？

其实中国的科学家和射电千里镜在前期定位M87拍摄打算的时辰是有进献的。可是中国的射电千里镜没有直接介入这一次的八组射电千里镜组合有两个原因。

起首，中国在东半球。当那八个千里镜地点的处所对着那个黑洞的时辰，中国在地球的后背，没法子同步不雅测。

别的，中国的大型射电千里镜，好比贵州天眼，领受的电磁波的波长，与此次同步黑洞拍摄所用的毫米波的波长也略有不同。

为什么黑洞照片如斯恍惚？

归根结底就是因为其实是太小了，半斤八两于用有用直径达到地球这么大的千里镜，放大倍数如斯之大仍然只能拍到有限的少量像素点。

地球只有这么大，这项手艺是不是到这里就到头了呢？

现实上用多个射电千里镜组合起来进行干与的超长基线干与仪系统，是可以借助被发射到空中的射电千里镜一路来工作的。那样就可以获得有用直径比地球尺寸更大的千里镜，可以拍得更清晰，也可以拍更小的天体。

△有用直径比地球更大的千里镜系统示意图（来历：知乎）

为什么黑洞照片需要用两年时候才洗出来？

所谓的洗出来就是从拍摄的大量的数据傍边，找到有效的旌旗灯号，还原出被拍摄物体上每个位置的电磁波旌旗灯号强度，生当作出这张照片。

之所以这么慢，起首是因为从八个不雅测点的射电千里镜持续五天所不雅测到的数据太多了，一共用了半吨的硬盘，如斯复杂的数据，要用大量的时候来处置。

其次，八个不雅测点的数据综合起来，用干与的法子去还原波源的信息，需要很是复杂的算法。最大的挑战在于精准的校对统一个旌旗灯号达到分歧位置的时候差，然后综合分歧千里镜的位置信息，旌旗灯号的强度以实时间差，推出电磁波的强度和位置。

并且这半吨的硬盘数据里不仅仅是黑洞吸积盘的旌旗灯号，还包罗天空中各类各样复杂凌乱的噪音数据，都需要被小心地辨别剔除。

别的为了避免报酬错误造当作的误差，后期处置的时辰是由两组团队别离进行，然后再把成果拿到一路校对，才能削减因报酬错误对最终成果造当作的影响。于是花了两年，终于在2019年的4月发布了第一张人类所拍摄的黑洞照片。

满传授的寄语

一场轰轰烈烈的、刷爆伴侣圈的见证人类首张黑洞照片问宿世的事务已经落幕了。但愿我们的听众伴侣不仅仅是赶了一次时髦，看了一次热闹，而是可以或许一向不断地去进修下去，思虑下去。

今天我给大师讲的这些内容，有良多也是我的一些具有根基专业布景的人问过我的问题，在去回覆这些问题的时辰，我也思虑和学到了良多。

但愿大师在赞叹于人类科技各类不成思议的伟大当作就的同时，并不把这一切都当做理所当然，而是连结好奇心，一向去发问、去思虑，甚至包罗去质疑。

不仅知道什么工具叫什么名字，更主要的是理解什么工具为什么。

你想想，在一两千年以前人类还在刀耕火种。340年以前，瓦特才发现了蒸汽机，莱特兄弟的第一架飞机是1903年才发现的，而第一部手机的发现是1973年，也就是不到50年以前。

△人类科技成长曲线图（来历：M.Hilbert）

我们处在科技前所未有的加快飞速成长期间。人类科学手艺在几十年甚至十几年里取得的前进，远弘远于曾经几十万年漫长的进化成果，从人类第一次有了电，有了机械，人类最起头有了激光，有了计较机，有了互联网，一个相对来说比力短暂的时候里，在宇宙中如斯细微的人类缔造出了良多的古迹，为的是去窥探如斯弘大如斯遥远的宇宙。

将来的几十年，科技又会成长当作什么样呢？仅仅知足于前人告诉你的书本上的常识，将会是远远不敷的，我们要有能力一向进修和思虑。

我们每一小我相对于地球来说是那么的细微，我们的地球相对于宇宙来说加倍是眇乎小哉。可是快乐喜爱科学还有天文，能让我们拥抱如斯了不得的宇宙。

吾生也有涯，而知无涯。

让我们每小我一边意识到本身的眇乎小哉，一边着眼于广袤的宿世界，去见证人类文明的每一次辉煌，甚至去亲自介入创作发明。你也可以的！

- 答读者问 -

为什么哈勃千里镜拍到的星系大多是扁扁的（椭圆的），而第一次拍到的黑洞照片，就是“圆”的，比力正对着地球？

是的，星系都有自转，凡是都是盘状的，盘面垂直于自转轴。所以从肆意角度不雅察一个星系，大要率看起来是椭圆的（扁的），只有刚好从正面看，星系才不是扁的。

而从哈勃千里镜拍到的M87黑洞的喷流照片可以看出，Ｍ87的喷流偏向比力正对着哈勃千里镜，也就是说这个黑洞的吸积盘盘面确实比力正对着地球。这是这个黑洞比力轻易被发现和被拍摄的原因之一。

值得注重的是，因为黑洞壮大的引力，即使从黑洞吸积盘侧面去看也不是椭圆的，或者薄薄的盘沿。

如上图所示，图中红色部门代表黑洞的吸积盘。若是不雅测和拍摄的偏向是斜着侧对着黑洞的吸积盘（右侧灰色线段代表旌旗灯号领受器），因为黑洞壮大的引力弯折效应，吸积盘上方和下方的电磁波（光线）都可以被大幅度弯折，而达到右侧的领受器。所以侧面领受器领受到的图像（由右图显示）不是一个薄薄的吸积盘盘沿，而是在视界暗影上下很大规模内都有旌旗灯号，其显示的外形和尺寸由黑洞的引力（时空弯折效应）分布决议。

满威宁

满威宁，博士，本科结业于吉林大学少年班，博士结业于普林斯顿大学物理系，在普林斯顿大学和纽约大学从事博士后工作。现任加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身传授，她率领的科研团队从事软凝集态物理、无序材料、准晶、光子能隙及非线性光学的研究。接待存眷她的小我微信公家号mv0。

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