你看到的根本不是黑洞，而是黑洞之影！

本文來自「科普中國」，首發於「企鵝科學」公眾號，『』科學松鼠會『』經授權轉載。

北京時間 4 月 10 日晚 9 點，天文學家宣布，他們利用「事件視界望遠鏡」獲得的數據，成功地提取出 5500 萬光年外的一個超大質量黑洞的照片。這是人類首次直接獲得的黑洞照片，對天文學和理論物理學的研究有著重要的意義。

其實，我們在這張照片里看到的那個黑乎乎的洞，並不是黑洞本體，而是「黑洞之影」。這到底是怎麼回事呢？今天我們就來說一說，這張黑洞照片背後的故事。

一、黑洞是什麼？

黑洞是愛因斯坦的廣義相對論中的一個概念。廣義相對論認為，物質之所以會產生萬有引力，是因為物質會把周圍的時空壓彎了。

如果由於某種原因，大量物質擠在一起，使得附近的時空彎曲得特別厲害，以致於任何粒子掉進去以後永遠都無法跑出來，那麼，這片時空區域就形成了一個黑洞。也就是說，黑洞是時空彎曲太厲害時所形成的一個「孔洞「。

所以，黑洞最先是從理論物理學的角度提出來的，誰也沒見過真的黑洞。當物理學家提到黑洞時，他腦海中想到的東西其實這樣的，

這樣的，

還有這樣的，

總之，你在科普書籍中看到的黑洞的樣子，要麼是物理學家腦補的，要麼是計算機用公式模擬出來的。要想親眼看一看真正的黑洞，我們還得靠天文學家來拍照片。

二、黑洞真的存在嗎？

既然誰也沒有見過黑洞，天文學家又是怎麼斷定天上一定存在黑洞呢？這就要說到天文學家腦海中的黑洞了。

在天文學家的腦海中，黑洞不是一個孤零零的「時空孔洞」。在黑洞周圍，有時會有大量恆星。通過分析恆星運動的速度和軌跡，天文學家可以推斷其中是否存在黑洞。

原視頻作者：加州大學洛杉磯分校Andrea Ghez團隊

事件視界望遠鏡所拍攝的其中一個黑洞——人馬座A* 黑洞，就是夜空中多顆恆星高速環繞的一個像素點（此次發布會尚未公布該黑洞的照片）。

此外，黑洞周圍還常常會有大量塵埃和氣體。

當它們從很遠的地方向黑洞掉落時，會相互摩擦發光發熱。有時還會形成噴流，產生大量伽馬射線、X 射線、射電波等光學信號。

天文學家認定的第一個黑洞（天鵝座 X-1），就是夜空中不斷發出 X 射線的一個像素點。

（註：天鵝座 X-1的X射線影像）

事件視界望遠鏡所公布的來自 M87 星系中心的黑洞（M87*），最初就是天文學家通過觀測噴流產生的射電波發現的。

（註：這是哈勃望遠鏡拍攝的M87星系和它中心產生的噴流。）

天文學家認為，M87* 黑洞是一顆超大質量黑洞，它的質量大約是太陽的 65 億倍，直徑大約 400 億千米，比太陽系八大行星範圍還要大。

即便如此，由於 M87* 黑洞距離我們 5500 萬光年，它在照片中的顯現範圍也只有 0.0003 角秒，相當於在地球上觀察月亮上的一部手機。

在人類現有的觀測技術下，M87* 黑洞在照片中原本也只能佔據一個像素的大小。那麼，天文學家是如何從1個像素中提取出 M87* 黑洞照片的呢？

三、 如何把像素點變成照片？

根據光學原理，一個相機的鏡頭越大，它的理論解析度就越高。為了看清楚黑洞的樣子，天文學家心想，乾脆一不做二不休，直接造一個跟地球一樣大的望遠鏡。

可是，根據經濟學原理，一個相機的鏡頭越大，價格也就越高。跟地球一樣大的望遠鏡，把地球賣了也造不起。這可怎麼辦呀？

天文學家想到一個好辦法：雖然我造不起超大型號望遠鏡，我可以讓小號的望遠鏡組團啊！

於是，為了把 M87* 黑洞的像素點變成一張高清無碼大圖，天文學家聯合了全世界 8 個射電望遠鏡項目，讓它們組成了一個跟地球一樣大的虛擬望遠鏡，叫作事件視界望遠鏡。

其中，「事件視界」指的就是你在科普插圖中看到的黑洞的外輪廓。

功夫不負有心人，事件視界望遠鏡在 2017 年的 4 月，對著 M87* 黑洞連著拍了 好幾個晚上，獲得了大量觀測數據。天文學家經過近 2 年的分析，終於從1個像素中提取出了黑洞的照片。

四、黑洞照片有什麼看頭？

千萬不要以為這張黑洞的照片就是一張普通照片，這裡面大有看頭。

首先，黑洞照片拍到的黑影其實不是黑洞本體，而是黑洞之影（black hole shadow）。

原理是這樣的。假設你用一組探照燈對著黑洞照，黑洞的引力會把其中一部分光吞進去，形成一團黑影。根據廣義相對論，這個黑影通常要比黑洞大兩三倍。這就是黑洞之影。

所以，真正的黑洞是看不見的，我們只能根據照片上黑洞之影的特徵，大致將黑洞實際的大小估算出來。

其次，雖然黑洞是圓形的，但黑洞之影卻不一定是圓形的。根據廣義相對論，如果黑洞自轉速度很快，你看到的黑洞之影就可能變成下面這種樣子。

第三，由於黑洞周圍存在很多發光的塵埃和氣體，它們會在黑洞周圍形成一個扁平的環。基於同樣的原因，如果黑洞自轉速度很快，這個環的一側會變得更明亮，另一側會變得更暗淡。

於是，我們看到的 M87* 黑洞就是這樣一個中間有個不太圓的洞，周圍有個不對稱的光環的怪樣子。

那麼，這張人類第一次拍到的黑洞之影的照片，到底有什麼用呢？

俗話說，實驗是檢驗理論的金標準嘛。

正是有了這張黑洞照片，天文學家才能從中推斷 M87* 黑洞到底有多重，轉速有多快，轉動方向是哪裡，周圍的塵埃和氣體處於什麼狀態，跟之前用其他手段間接推測的結果是否一致。

根據天文學家的分析結果，M87*黑洞和它周圍的塵埃、氣體可能都是躺著自轉的，而且它們的「南極」幾乎是正對著我們的，如下圖的左上角所示。

並且，天文學家發現，照片所呈現的信息與廣義相對論的預言基本相符。

此時，物理學家也能長長地鬆一口氣：他們坐在辦公室里推導出來這樣那樣的公式，最終還是經受住了實踐的檢驗！

作者：Sheldon

繪製：Mirror、黃呆

鳴謝：逸凡

審稿人

高爽，天體物理學博士，科普作家

歡迎個人轉發到朋友圈

微信： SquirrelClub

微博：科學松鼠會

科學松鼠會，是一家以推動科學傳播行業發展為己任的非營利組織，成立於2008年4月。我們希望像松鼠一樣，幫助公眾剝開科學的堅果，分享科學的美妙

喜歡記得點「在看」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！