黑洞研究史

　　●1798年

　　法國數(shù)學家、物理學家拉普拉斯根據(jù)牛頓力學計算，一個直徑為太陽250倍而密度與地球一樣大的天體，其引力足以捕獲其發(fā)出的光線而成為一個暗天體，也稱為“暗星”。

　　●1915年

　　愛因斯坦廣義相對論誕生，預言存在黑洞這樣一種天體。

　　●1916年

　　德國天文學家史瓦西發(fā)現(xiàn)所有的星體都存在一個史瓦西半徑，如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑要小，那么它就會變成一個黑洞。比如，太陽的史瓦西半徑是3000米。

　　●1939年

　　美籍猶太裔物理學家奧本海默根據(jù)廣義相對論證明，當天體的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時，引力坍塌后不可能達到任何的穩(wěn)態(tài)，只能形成黑洞。

　　●1970年

　　美國的“自由”號人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)位于天鵝座X-1上一個比太陽重30多倍的巨大星球，被一個重約10個太陽的看不見的物體牽引著。天文學家一致認為這個物體就是黑洞，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞。

　　●1974年

　　英國物理學家霍金證明黑洞具有與其溫度相對應的熱輻射，稱為“黑洞輻射”。黑洞的質(zhì)量越大，溫度越低，輻射過程就越慢。

　　人類首張黑洞照片“沖洗”完成，這一神秘天體終于被人類看到了真容。4月10日晚，數(shù)百名科學家參與合作的“事件視界望遠鏡（EHT）”項目在全球多地同時召開新聞發(fā)布會，發(fā)布了人類拍到的首張黑洞照片。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”。

　　完美驗證愛因斯坦相對論預言

　　中國科學院上海天文臺研究員袁峰在發(fā)布會現(xiàn)場介紹，照片上的黑洞離地球有5500萬光年，質(zhì)量大概是太陽的65億倍。照片上是它5500萬年以前的樣子，黑洞周圍的空間是彎曲的。黑洞本身是不可見的，把黑洞放到放光的背景里，看到的照片就是這樣。

　　據(jù)袁峰介紹，照片中一部分是中心區(qū)域不太發(fā)光的陰影，另一部分是圍繞這個陰影的發(fā)亮的圓環(huán)。“我們最先看到的是M87星系，隨著視角拉近，我們看到了黑洞噴流的結(jié)構(gòu)，最后對黑洞進行了成像。大家想知道為什么黑洞會形成陰影，黑洞會形成一個環(huán)狀吸積盤，與吸積盤垂直的方向有一個噴流結(jié)構(gòu)。吸積流快速旋轉(zhuǎn)，大概兩天就能繞著M87轉(zhuǎn)一周，隨著物質(zhì)的吸積，接近黑洞的時候，物質(zhì)會變得非常熱，發(fā)出非常強的輻射，就會被我們看見。由于一部分光子被黑洞吞噬，就會形成陰影。”袁峰解釋，光就是從吸積盤上發(fā)出的，而黑色的陰影要比黑洞本身大幾倍。

　　袁峰說，圖片中亮的區(qū)域和暗的區(qū)域，對比度超過10倍。周圍有個圓環(huán)結(jié)構(gòu)，十分接近圓形，是因為引力透鏡造成的。另外南北的不對稱性很明顯，南邊亮，北邊暗。這是因為多普勒增量效應，南邊物質(zhì)朝我們運動，就會變亮；北邊物質(zhì)遠離我們，就會變暗。

　　“現(xiàn)在看到的亮環(huán)就是光線扭曲以后得到的結(jié)構(gòu)，如果不扭曲，是看不到這樣的圖像的。理論和觀測是互相促進的。”袁峰表示，目前來看，這張照片驗證了愛因斯坦的廣義相對論，后續(xù)的觀測將解決一些還沒搞清楚的問題。

　　他解釋，黑洞的視界并不是發(fā)光區(qū)域，這個黑洞的視界在陰影里，比陰影面積要小一些。具體多大，廣義相對論做出了詳細的預測。

　　袁峰具體解釋，人類通過射電望遠鏡得到這樣一張照片，結(jié)合愛因斯坦廣義相對論和黑洞吸積理論進行預測，把觀測到的圖像和預測的圖像對比，發(fā)現(xiàn)吻合得非常好，完美地驗證了愛因斯坦的廣義相對論。

　　現(xiàn)場科學家介紹，能夠得到這樣一個圖像，需要有地球直徑大小的望遠鏡，為了得到這樣一個望遠鏡，要求把地面上能夠針對黑洞成像的望遠鏡組合起來。望遠鏡越多，成像質(zhì)量越好，以后隨著更多望遠鏡加入觀測網(wǎng)絡，黑洞成像質(zhì)量會更好，對愛因斯坦理論驗證會更精確。

　　我國天琴計劃將搜尋黑洞

　　記者了解到，包括中國科學院上海天文臺在內(nèi)的一些中國機構(gòu)參與觀測和數(shù)據(jù)處理，中科院國家天文臺副臺長薛隨建說，此次參與為中國今后在相關(guān)國際合作中發(fā)揮更重要作用做了良好示范。

　　華中科技大學物理學院的科學家吳慶文教授也參與其中，他表示，他和研究生馮建超博士主要參與了理論分析方面的工作。在過去幾年里進行了系列研究，他們對黑洞吞噬物質(zhì)過程、黑洞自旋等重要信息做了較好限定，提出這次觀測的黑洞圖像應該是來自黑洞吞噬的物質(zhì)，而非相對論性噴流。此外，還發(fā)現(xiàn)這個巨型黑洞很有可能是高速自轉(zhuǎn)的。這次拍攝的黑洞照片，較好支持了他們的研究結(jié)果。

　　吳慶文說，目前由我國主導的天琴空間引力波探測器計劃，預計在2030-2035年間發(fā)射，在10萬公里高度的地球軌道上部署三顆繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，組成臂長17萬公里的等邊三角形，形成空間引力波探測器。天琴引力波探測器將可以探測到宇宙誕生初期第一代恒星或氣體云塌縮形成的雙大黑洞合并產(chǎn)生的引力波，這將幫助我們理解宇宙早期種子黑洞、黑洞的增長歷史以及星系演化等重大天文與物理學問題。因此，天琴空間引力波計劃必將成為下一個20年探測宇宙黑洞的利器，特別是可能會搜尋到大量的中等質(zhì)量黑洞。

　　釋疑1

　　在此之前如何確認黑洞的存在？

　　各種間接證據(jù)均證明黑洞確實存在

　　中科院國家天文臺研究員茍利軍表示，在這次拍照前，天文學家們通過各種間接證據(jù)表明，黑洞確實存在。

　　比如，恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，于是我們可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在，也可以根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。再就是通過看到黑洞成長的過程發(fā)現(xiàn)黑洞。

　　中科院國家天文臺研究員劉繼峰領(lǐng)導的國際團隊在世界上首次成功測量到X射線極亮天體的黑洞質(zhì)量，研究成果2013年11月28日發(fā)表在國際權(quán)威雜志《自然》上。他們在3個月的時間跨度上對漩渦星系中X射線極亮源M101ULX-1進行了研究，并確認其中心天體為一個質(zhì)量可與恒星比擬的黑洞。這個黑洞加伴星形成的黑洞雙星系統(tǒng)位于2200萬光年之外，是人類迄今發(fā)現(xiàn)的距離地球最遙遠的黑洞雙星。

　　釋疑2

　　“事件視界望遠鏡”是什么？

　　8座望遠鏡組成超大“虛擬”望遠鏡

　　黑洞幾乎所有質(zhì)量都集中在最中心的“奇點”處，并在周圍形成一個強大的引力場，在一定范圍之內(nèi)，連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界范圍被稱為黑洞的半徑或“事件視界”，也叫“視界面”。

　　現(xiàn)在望遠鏡的半徑越造越大，我國的FAST已經(jīng)有500米口徑，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多脈沖星。但是，要想觀測遙遠的黑洞，依靠目前任何單個望遠鏡都遠遠不夠。2017年的4月5日到14日之間，來自全球30多個研究所的科學家們開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃，利用分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網(wǎng)絡。茍利軍說，在2017年8個不同的望遠鏡進行觀測的基礎上，2019年又加了一臺望遠鏡。

　　“事件視界望遠鏡”就是利用“甚長基線干涉技術(shù)（VLBI）”和全球多個射電天文臺的協(xié)作，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠鏡。

　　釋疑3

　　光都逃不出來，如何拍黑洞？

　　周圍氣體產(chǎn)生的光線和輻射可觀測

　　茍利軍解釋，“連光都逃不出來”指的是黑洞里面的情況，這次拍攝的是黑洞周圍尚未掉入黑洞的氣體所產(chǎn)生的光線和輻射。

　　“在電影《星際穿越》中，在黑洞外部亮的圓環(huán)的襯托下，中間有黑色的區(qū)域，我們將這塊區(qū)域稱為‘黑洞的陰影’。”茍利軍說。

　　《星際穿越》中黑洞巨大的吸積盤吸引了很多觀眾，被稱為最接近黑洞的想象。不過，茍利軍表示，因為之前誰都沒有“看”到黑洞的照片，之前的圖像都是想象和推測出來的。“廣義相對論在很多情形下都被驗證是正確的，如果廣義相對論是正確的，那么我們看到的黑洞應該就是這樣。”

　　釋疑4

　　給“黑洞”拍照難在哪？

　　觀測窗口期每年大約只有10天

　　要保證分布在全球各地的8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞，觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天，2017年只有4月5日到4月14日合適。

　　茍利軍說，這些望遠鏡都是在亞毫米波波段，通常需要在海拔比較高的地方來減少大氣中水汽對于亞毫米光子的影響。比如位于智利的ALMA望遠鏡的海拔就有5000多米。據(jù)了解，這座望遠鏡耗資140億美元，靈敏度是目前單陣列當中最高的。

　　釋疑5

　　“沖洗”圖像為何耗費兩年？

　　龐大數(shù)據(jù)需要計算機進行復雜的處理

　　茍利軍說，虛擬的大望遠鏡陣列并非直接拍出了黑洞的圖像，而是給出了許多數(shù)據(jù)，必須經(jīng)歷復雜的計算機處理過程。

　　有8個不同的望遠鏡，每一個收到的數(shù)據(jù)量都非常大，加到一起差不多有10PB。現(xiàn)在一般的筆記本電腦的硬盤是1TB，這些望遠鏡為此次觀測接收的數(shù)據(jù)可以裝滿1萬多個筆記本。

　　此外，在2017年4月的聯(lián)合觀測以后，研究團隊還進行了一些數(shù)據(jù)收集和校準的工作。茍利軍說，科學家需要對望遠鏡接受的光子進行定標，確保不同望遠鏡接收到的光子是來自于同一時刻，最后才能將所有圖像進行疊加。其中還有些缺失或模糊的部分，需要科學家們拼圖。

　　光既有波動性又有粒子性，觀測到的每一時刻波動性非常強，所以需要對每一時刻接收的相位進行校對。茍利軍作了一個形象的比喻，“我們拍照片的時候，如果手晃動，相片會模糊。這跟相機的工作模式有關(guān)系，相機的曝光時間要非常短，比手晃動的速度快很多，才能拍清楚。這就是為何要用高速攝像機拍攝運動員奔跑的形象，如果用普通照相機拍攝，會得到一個模糊的照片。”

　　釋疑6

　　這張照片在科學上有多重要？

　　一些懸而未決的問題有了解決的可能

　　茍利軍說，因為是第一次看到黑洞，從科學的角度可以提供很多信息，幫助我們了解氣體在黑洞內(nèi)區(qū)真正的運動狀態(tài)。

　　“之前根據(jù)研究，我們知道了黑洞周邊有一些很壯觀的現(xiàn)象，比如噴流等，還知道了黑洞的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動等性質(zhì)。但是，之前沒有很好的方式去了解，雖然有一些方法，但可能有誤差，也不知道是不是準確。因為不同的模型得到的結(jié)果往往偏差很大，相差幾倍在天文學中是很正常的。”

　　有了這幅照片，科學中一些與黑洞有關(guān)的懸而未決的問題，就有了解決的可能。（記者李玉坤 王俊）