来历：科普我国

本文专家:吴学兵，北京大学地舆学系系主任，教授

先平复一下激动的心境，北京时间今天晚上21:00，首张黑洞相片即将面世！

是的，是首张，此前人类底子都是直接“看到”黑洞，这次则直接“拍”了下来！

这事到底有多大？

这么说吧，今晚全球六地一同举办新闻发布会（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、我国上海和台北、日本东京以及美国华盛顿），同步发布！这有可能是本年最重要的科学发现之一。

在上海，EHT项目和我国科学院将发布这一重大效果。

时间

北京时间2019年4月10日21点整

地址

我国科学院上海地舆台

黑洞是什么？国际中真的有黑洞吗？黑洞的相片会是什么姿势？下面咱们逐一揭晓。

黑洞是什么？

自上世纪中期初步，人们对黑洞的探秘就从未间断过。

200多年前，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯就曾提出: 一个质量满意大但体积满意小的恒星会发作健壮的引力，致使连光线都不能从其表面逃走，因此这颗星是完全“黑”的，但这一推论随后被人忘掉。

1915年爱因斯坦宣告广义相对论不久，德国数学家史瓦西得到了静态球对称情况下爱因斯坦场方程的一个解，解在一个特别半径（后称史瓦西半径）处存在奇异性。

M87星系中心的超大质量黑洞的仿照图像。中心的黑色区域是黑洞的剪影。| 图片来历：Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

1939年美国物理学家奥本海默等也证明确实存在一个时间-空间区域，光也不可能从该区域逃逸而抵达远处的观察者。这一区域的距离称为视界，在静态球对称情况下，视界半径就是史瓦西半径。假设某天体的半径小于史瓦西半径，那么该天体就应该是“黑”的，无法被咱们看到。

科学家们把这些引力极强而又“看不到”的特别天体称为“黑洞”。因此，黑洞也是爱因斯坦广义相对论预言的一种产品。

国际中的黑洞是怎样被发现的？

他们发现在一些被X射线望远镜发现的双星（由一个细密星和另一个正常恒星组成）中，细密星的质量比中子星的质量上限（约为3倍太阳质量）还大，但半径却差不多，因此认为这些引力极强的细密星只能是黑洞。

现在在银河系中已发现20多个黑洞X射线双星，它们的黑洞质量大约是太阳质量的5到20倍。

黑洞剪影的仿照图像：广义相对论预言剪影是圆形的（中），其他理论则预言了不同的形状（左、右）。| 图片来历：D. Psaltis and A. Broderick

最近几年，地上激光干与引力波地舆台(LIGO) 已宣告已勘探到11对双黑洞并合发作的引力波，这些黑洞的质量都是几十个太阳质量。

地舆学家一般把这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞叫恒星级黑洞。

二次国际大战后，雷达技术广泛用于射电地舆，许多国际射电源被发现。这些射电源的光学像有的看起来很像恒星，但光谱观测闪现它们本质上不是恒星，而是谱线有巨大红移的银河系外悠远天体。

这些被称为“类星体”的活动星系核能辐射出比银河系高不可胜数倍的能量，其发光原理不能用核反应来说明。

科学家们认为类星体的动力来自于其间心质量极大的黑洞吸积周围物质所释放出的巨大引力能↓

图1：类星体中心超大质量黑洞及吸积盘、喷流示意图 | 图片来历：NASA/Goddard Space Flight Center

后来的观测标明像咱们银河系这样的正常星系中心也存在质量在百万太阳质量以上的黑洞，只是由于这些正常星系中心的黑洞周围没有多少可供吞噬的物质，所以其表现不如类星体中心的黑洞“生动”，无法释放像类星体那样巨大的能量。

地舆学家把类星体和星系中心质量在百万到百亿倍太阳质量的黑洞叫超大质量黑洞。

那么国际中是否存在介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间、质量为几百到几十万倍太阳质量的中等质量黑洞呢？地舆学家尽管在一些近邻星系的极亮X射线源中如同已找到中等质量黑洞存在的痕迹，但还需更多的观测予以证明。

黑洞相片会是什么姿势？

尽管地舆学家已发现了许多的恒星级黑洞和超大质量黑洞，但都是通过黑洞健壮的引力对周围物质和恒星的影响而直接勘探到的。

国际中的黑洞本身尽管是不发光的（霍金辐射在地舆学家发现的黑洞中太弱，可忽略不计），但由于黑洞不是孤立的，它们对周围物质和恒星的影响可发作丰盛的观测现象让地舆学家发现它们，并测量出其最重要的物理参数－质量。在少数情况下，地舆学家甚至还可运用观测效果测量出一些黑洞的自转。

但至今还短少对黑洞的直接勘探和成像。黑洞最主要的特点是存在工作视界，大小为史瓦西半径。

恒星级黑洞系统示意图 | 图片来历：http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

对质量为几十个太阳质量的银河系内恒星级黑洞而言，史瓦西半径只需几十公里，而这些黑洞距离咱们都有上万光年（1光年约为9.5万亿公里）之遥，工作视界的大小相关于距离实在太小了，所以完全无法勘探。最可能对其工作视界直接成像的黑洞是离咱们很近的两个超大质量黑洞，即人马座方向银河系中心和室女座方向射电星系M87中心的黑洞。

 

银河系中心黑洞Sgr A*质量约为4百万太阳质量，距离咱们2.5万光年，工作视界半径约1.2千万公里。射电星系M87中心黑洞质量为60亿太阳质量，距离咱们5千万光年，工作视界半径约180亿公里。

要对这两个超大质量黑洞的工作视界附近照像，望远镜的分辩率需求抵达十个微角秒（一微角秒为百万分之一角秒）左右，这恰当于要分辩出月亮上的一个乒乓球，关于人类是一个极大的应战！出名的哈勃空间望远镜的分辩率也只需0.05角秒。

但地舆学家仍是想出了办法，他们运用分布在全球几大洲的8个毫米波望远镜组成干与阵列（即工作视界望远镜EHT），阵列的基线长度和地球大小恰当，角分辩率可达几十微角秒，因此具有对银河系中心黑洞和射电星系M87中心黑洞视界面附近区域进行成像的才干。

那么，工作视界望远镜摄影的黑洞相片毕竟会是什么姿势呢？

图三：望远镜在全球分布示意图，红点代表望远镜所在地丨图片来历：http://m.sohu.com/a/133852929_376569

首要，黑洞本身是不发光的，咱们看到的发光实践都来自于工作视界外面的物质，并不来自于黑洞本身，但黑洞的存在会在相片上留下“阴影”。其次，由于黑洞强引力导致的相对论效应，如光线弯曲、引力红移等，会导致黑洞周围物质发光的不对称和曲解。

此外，工作视界外面的“环境”并不完全洁净，尘土、气体、磁场、喷流等要素都会对工作视界外物质的发光发作影响。而且，工作视界望远镜的分辩率毕竟仍是有限的，图像的测量和重构进程也很凌乱↓

工作视界望远镜(EHT)团队仿照的黑洞附近相片及其测量和重构进程 | 图片来历：https://eventhorizontelescope.org/science

因此，尽管咱们对工作视界望远镜摄影的首张黑洞相片非常等候，但假设毕竟看到发布的相片不那么美丽和清楚（比如像上图右边的姿势），也请咱们不必感到意外。

万事开头难！往后咱们看到的黑洞相片必定会比现在更精彩。