黑洞研究史
●1798年
法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家拉普拉斯根據(jù)牛頓力學(xué)計(jì)算，一個(gè)直徑為太陽(yáng)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(gè)暗天體，也稱為“暗星”。
●1915年
愛因斯坦廣義相對(duì)論誕生，預(yù)言存在黑洞這樣一種天體。
●1916年
德國(guó)天文學(xué)家史瓦西發(fā)現(xiàn)所有的星體都存在一個(gè)史瓦西半徑，如果星體的實(shí)際半徑比它的史瓦西半徑要小，那么它就會(huì)變成一個(gè)黑洞。比如，太陽(yáng)的史瓦西半徑是3000米。
●1939年
美籍猶太裔物理學(xué)家奧本海默根據(jù)廣義相對(duì)論證明，當(dāng)天體的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時(shí)，引力坍塌后不可能達(dá)到任何的穩(wěn)態(tài)，只能形成黑洞。
●1970年
美國(guó)的“自由”號(hào)人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)位于天鵝座X-1上一個(gè)比太陽(yáng)重30多倍的巨大星球，被一個(gè)重約10個(gè)太陽(yáng)的看不見的物體牽引著。天文學(xué)家一致認(rèn)為這個(gè)物體就是黑洞，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞。
●1974年
英國(guó)物理學(xué)家霍金證明黑洞具有與其溫度相對(duì)應(yīng)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(xué)家參與合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）”項(xiàng)目在全球多地同時(shí)召開新聞發(fā)布會(huì)，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(tuán)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(yáng)的65億倍。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”。
完美驗(yàn)證愛因斯坦相對(duì)論預(yù)言
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員袁峰在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)介紹，照片上的黑洞離地球有5500萬光年，質(zhì)量大概是太陽(yáng)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(gè)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(duì)黑洞進(jìn)行了成像。大家想知道為什么黑洞會(huì)形成陰影，黑洞會(huì)形成一個(gè)環(huán)狀吸積盤，與吸積盤垂直的方向有一個(gè)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(shí)候，物質(zhì)會(huì)變得非常熱，發(fā)出非常強(qiáng)的輻射，就會(huì)被我們看見。由于一部分光子被黑洞吞噬，就會(huì)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(duì)比度超過10倍。周圍有個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)，十分接近圓形，是因?yàn)橐ν哥R造成的。另外南北的不對(duì)稱性很明顯，南邊亮，北邊暗。這是因?yàn)槎嗥绽赵隽啃?yīng)，南邊物質(zhì)朝我們運(yùn)動(dòng)，就會(huì)變亮；北邊物質(zhì)遠(yuǎn)離我們，就會(huì)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(cè)是互相促進(jìn)的。”袁峰表示，目前來看，這張照片驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對(duì)論，后續(xù)的觀測(cè)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(gè)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(duì)論做出了詳細(xì)的預(yù)測(cè)。
袁峰具體解釋，人類通過射電望遠(yuǎn)鏡得到這樣一張照片，結(jié)合愛因斯坦廣義相對(duì)論和黑洞吸積理論進(jìn)行預(yù)測(cè)，把觀測(cè)到的圖像和預(yù)測(cè)的圖像對(duì)比，發(fā)現(xiàn)吻合得非常好，完美地驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對(duì)論。
現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)家介紹，能夠得到這樣一個(gè)圖像，需要有地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡，為了得到這樣一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，要求把地面上能夠針對(duì)黑洞成像的望遠(yuǎn)鏡組合起來。望遠(yuǎn)鏡越多，成像質(zhì)量越好，以后隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，黑洞成像質(zhì)量會(huì)更好，對(duì)愛因斯坦理論驗(yàn)證會(huì)更精確。
我國(guó)天琴計(jì)劃將搜尋黑洞
記者了解到，包括中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)在內(nèi)的一些中國(guó)機(jī)構(gòu)參與觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理，中科院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)薛隨建說，此次參與為中國(guó)今后在相關(guān)國(guó)際合作中發(fā)揮更重要作用做了良好示范。
華中科技大學(xué)物理學(xué)院的科學(xué)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(jìn)行了系列研究，他們對(duì)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(cè)的黑洞圖像應(yīng)該是來自黑洞吞噬的物質(zhì)，而非相對(duì)論性噴流。此外，還發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(guó)主導(dǎo)的天琴空間引力波探測(cè)器計(jì)劃，預(yù)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，組成臂長(zhǎng)17萬公里的等邊三角形，形成空間引力波探測(cè)器。天琴引力波探測(cè)器將可以探測(cè)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(zhǎng)歷史以及星系演化等重大天文與物理學(xué)問題。因此，天琴空間引力波計(jì)劃必將成為下一個(gè)20年探測(cè)宇宙黑洞的利器，特別是可能會(huì)搜尋到大量的中等質(zhì)量黑洞。
釋疑1
在此之前如何確認(rèn)黑洞的存在？
各種間接證據(jù)均證明黑洞確實(shí)存在
中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍表示，在這次拍照前，天文學(xué)家們通過各種間接證據(jù)表明，黑洞確實(shí)存在。
比如，恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周圍的恒星、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，于是我們可以通過觀測(cè)這種影響來確認(rèn)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(zhǎng)的過程發(fā)現(xiàn)黑洞。
中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員劉繼峰領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在世界上首次成功測(cè)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(guó)際權(quán)威雜志《自然》上。他們?cè)?個(gè)月的時(shí)間跨度上對(duì)漩渦星系中X射線極亮源M101ULX-1進(jìn)行了研究，并確認(rèn)其中心天體為一個(gè)質(zhì)量可與恒星比擬的黑洞。這個(gè)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(yuǎn)的黑洞雙星。
釋疑2
“事件視界望遠(yuǎn)鏡”是什么？
8座望遠(yuǎn)鏡組成超大“虛擬”望遠(yuǎn)鏡
黑洞幾乎所有質(zhì)量都集中在最中心的“奇點(diǎn)”處，并在周圍形成一個(gè)強(qiáng)大的引力場(chǎng)，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(yuǎn)鏡的半徑越造越大，我國(guó)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(cè)遙遠(yuǎn)的黑洞，依靠目前任何單個(gè)望遠(yuǎn)鏡都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。2017年的4月5日到14日之間，來自全球30多個(gè)研究所的科學(xué)家們開展了一項(xiàng)雄心勃勃的龐大觀測(cè)計(jì)劃，利用分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)。茍利軍說，在2017年8個(gè)不同的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)的基礎(chǔ)上，2019年又加了一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。
“事件視界望遠(yuǎn)鏡”就是利用“甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)（VLBI）”和全球多個(gè)射電天文臺(tái)的協(xié)作，構(gòu)建一個(gè)口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)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(cè)
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?yàn)橹罢l都沒有“看”到黑洞的照片，之前的圖像都是想象和推測(cè)出來的。“廣義相對(duì)論在很多情形下都被驗(yàn)證是正確的，如果廣義相對(duì)論是正確的，那么我們看到的黑洞應(yīng)該就是這樣。”
釋疑4
給“黑洞”拍照難在哪？
觀測(cè)窗口期每年大約只有10天
要保證分布在全球各地的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，觀測(cè)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(yuǎn)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(duì)于亞毫米光子的影響。比如位于智利的ALMA望遠(yuǎn)鏡的海拔就有5000多米。據(jù)了解，這座望遠(yuǎn)鏡耗資140億美元，靈敏度是目前單陣列當(dāng)中最高的。
釋疑5
“沖洗”圖像為何耗費(fèi)兩年？
龐大數(shù)據(jù)需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的處理
茍利軍說，虛擬的大望遠(yuǎn)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(fù)雜的計(jì)算機(jī)處理過程。
有8個(gè)不同的望遠(yuǎn)鏡，每一個(gè)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(yuǎn)鏡為此次觀測(cè)接收的數(shù)據(jù)可以裝滿1萬多個(gè)筆記本。
此外，在2017年4月的聯(lián)合觀測(cè)以后，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了一些數(shù)據(jù)收集和校準(zhǔn)的工作。茍利軍說，科學(xué)家需要對(duì)望遠(yuǎn)鏡接受的光子進(jìn)行定標(biāo)，確保不同望遠(yuǎn)鏡接收到的光子是來自于同一時(shí)刻，最后才能將所有圖像進(jìn)行疊加。其中還有些缺失或模糊的部分，需要科學(xué)家們拼圖。
光既有波動(dòng)性又有粒子性，觀測(cè)到的每一時(shí)刻波動(dòng)性非常強(qiáng)，所以需要對(duì)每一時(shí)刻接收的相位進(jìn)行校對(duì)。茍利軍作了一個(gè)形象的比喻，“我們拍照片的時(shí)候，如果手晃動(dòng)，相片會(huì)模糊。這跟相機(jī)的工作模式有關(guān)系，相機(jī)的曝光時(shí)間要非常短，比手晃動(dòng)的速度快很多，才能拍清楚。這就是為何要用高速攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)員奔跑的形象，如果用普通照相機(jī)拍攝，會(huì)得到一個(gè)模糊的照片。”
釋疑6
這張照片在科學(xué)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?yàn)槭堑谝淮慰吹胶诙矗瑥目茖W(xué)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(zhǔn)確。因?yàn)椴煌哪Ｐ偷玫降慕Y(jié)果往往偏差很大，相差幾倍在天文學(xué)中是很正常的。”
有了這幅照片，科學(xué)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）