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黑洞的概念最早可以追溯到1783年。那时候剑桥科学家约翰·米歇尔（John Michell）发现：一个物体的质量足够大而体积足够小时，它就可以吸引所有物体，就连光也不能逃脱。一个多世纪后，卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）发现了爱因斯坦广义相对论的一个正确答案，这个答案也指向相同的结果：黑洞。
米歇尔和史瓦西都清楚地预测了事件视界----即光无法逃脱的区域大小----与黑洞质量以及光速的关系。在史瓦西发表成果后的103年内，该结果都没有得到验证。终于在2019年4月10日，科学家公布了史上第一张黑洞事件视界的照片。爱因斯坦的理论再次取得胜利，也是科学的又一次胜利。
图解：地球上能够观测到的第二大黑洞位于M87星系的中央，就是以下三张图展示的那样。上图是哈勃望远镜拍摄的光学图片，左下图是美国国家无线电天文台拍摄的无线电图片，右下图是钱德拉X射线天文台拍摄的X射线图片。该黑洞的质量相当于66亿个太阳，同时它比人马座A*还远2000倍。事件视界望远镜利用了无线电来成像，这也是迄今第一个能够观测到事件视界的黑洞。
图片版权(TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)
尽管在黑洞的第一张照片公布之前，我们已经对黑洞有不少了解，然而这张照片足以改变局面。在这次惊人的发现之前，我们对黑洞有很多疑问，而现在很多都成功得以解决。
2019年4月10日，事件视界望远镜组织公布了第一张拍摄成功的黑洞事件视界的照片。正在讨论的黑洞属于M87星系，也正是我们局部超星系团中体积最大、质量也最大的星系。据测量，视界的角直径为42微弧秒，这意味着需要23千万亿个同等大小的黑洞才能填满整个天空。
图解：在这张深邃的照片中，巨大的椭圆形星系M87附近围绕着很大的光环。光环的右上方有过量光线，以及星系中行星状星云的运动，这些是最近一个中等大小的星系与M87相撞留下的最后痕迹。图片版权CHRIS MIHOS (CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY)/ESO)
M87星云中的黑洞与太阳相距5500万光年，其预计质量是太阳的65亿倍。实际上，它甚至比冥王星环绕太阳的轨道直径还大。如果黑洞不存在，光需要一天的时间跨越事件视界的直径。我们能够得到第一张黑洞照片主要是因为
事件视界望远镜的分辨率足够发现黑洞黑洞在强烈地发射无线电波前景辐射的幅度很低，信号污染较少
得到了这张照片，也为我们已经了解或正在了解的10个问题带来了新的认识。
1.这确实是一张黑洞的照片，与广义相对论的预测一致。
如果你曾经看过这样的文章：“理论物理学家大胆宣称，黑洞不存在”，或者“新重力理论超越爱因斯坦”，你可能已经零散知道，物理学家一直试图找到能够替代主流理论的新理论框架。尽管广义相对论经受住了我们对它进行的所有考验，始终有人试着对它进行扩展、修正甚至替代。不过，这张照片的出现让很多企图化为泡影。我们知道，这是一个黑洞而不是一个虫洞（至少不是主流理论中的虫洞）；也知道，事件视界的确存在，而不只是一个奇点（至少不只是很多理论当中的孤立奇点）；还知道，事件视界并非一个由物质组成的可以发出红外线的坚硬表面。这些有限的观测结果都与广义相对论相符合。
但是，观测结果并不能证明暗物质是否存在、也并未涉及修正的重力理论、量子重力，或者事件视界背后的物质。这些都超出了事件视界望远镜的观测范围。
图解：位于银河中心的超大质量黑洞周围已经发现了大量恒星，而M87星云使得观测周围恒星的吸收特性成为可能。这也让人们可以通过引力推测中央黑洞的质量，也可以通过绕黑洞轨道的气体推测其质量。但是一般来说，通过气体测量的结果比起引力测量结果要偏低。这也就导致了事件视界望远镜的观测结果与引力推测数据更吻合。图片版权(S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)
2.与观测气体相比，恒星引力动力学对黑洞质量的预测更准确。
在事件视界望远镜获得第一张黑洞照片之前，我们可以通过几种方法来测量黑洞质量。例如，我们可以测量银河系中环绕黑洞运行的恒星轨道来推测黑洞的引力动力学质量；也可以测量M87的中心黑洞周围的气体运动产生的吸收谱。这些让我们得到引力质量，以及环绕中央黑洞运动的气体的辐射量。
对于银河系和M87星系的黑洞来说，这两种方法得到的结论都有较大的差别。引力动力学测算的结果通常比环绕气体测算高50-90%。例如，环绕气体测算的M87中央黑洞的质量为太阳的35亿倍，而引力动力学测算为62-66亿倍。事件视界望远镜的测量结果是65亿倍，与引力动力学测算的结果相符。由于环绕气体测算黑洞的质量过低，我们将借此机会重新检验这种方法。
图解：大约在5500万光年之外的M87星系中存在巨大的相对论性喷流以及微波和X射线能探测到的宇宙射线。这张光学照片展示了一个喷流，事件视界望远镜的观测告诉我们，黑洞的旋转轴背离地球，倾斜角大约为17°。图片版权（ESO）
3.这是一个旋转黑洞，其旋转轴恰好背离地球。
通过对事件视界的观察、黑洞周围的微波辐射、大规模喷流和已知的来自其他天文台对扩展微波辐射等一系列成果的综合分析，事件视界望远镜组织得出结论，该黑洞属于Kerr型（旋转）而不是Schwarzschild（非旋转）型。
我们无法通过一个简单原理来解释这个性质。但是，我们可以建立一个繁杂的黑洞模型，来描述黑洞本身和和它的外部物质。通过这个模型的演化，我们可以看到会发生什么。当你看到可能出现的各种信号时，你就能够收集到与你结论一致的证据。黑洞一定处于旋转状态，其旋转轴背离地球，大约有17°的偏角。
图解：这张概念图描述的是一个超大黑洞周围的喷流和吸积环。长久以来我们对黑洞运转的认识都来自这样的图像，而事件视界望远镜提供的照片证实了这张图的正确性。图片版权(NASA/JPL-CALTECH)
4.我们可以确认黑洞周围存在物质，吸积环和喷流就处在黑洞附近。
对M87星云的光学观测已经告诉我们喷流的存在，以及它还在向外辐射微波和X射线。如果想要知道辐射的类型，只有恒星和光子是不够的，我们需要具体物质，特别是电子。只有通过磁场加速电子，我们才能得到特征微波辐射，如同步辐射。
这需要大量的模拟实验。调整所有模型中的各种参数后，我们可以看出观察结果需要用吸积环来解释微波辐射，同时还必须引入非微波辐射，比如X射线辐射。
除了事件视界望远镜为此进行了重要观测外，而且还有其他天文台，如钱德拉X射线望远镜。M87的中心发射光谱所示，吸积流一定携带巨大热量，这与磁场中相对论性的加速电子一致。
图解：上图描绘了黑洞附近光子的路径。事件视界的引力弯曲和对光的捕获是事件视界望远镜拍摄到阴影的原因。没有被拍摄的光子形成了一个特殊的球体，这帮助了我们在这个新的测试体系中确认广义相对论的有效性。图片版权(NICOLLE R. FULLER/NSF)
5.可见的圆环展示了中央黑洞周围引力强度和引力透镜效应，广义相对论再一次通过了考验。
这个圆形的射电环并不与事件视界对应，也不和环绕轨道上的粒子环对应。同时它也不是黑洞最内层稳定圆轨道。相反得失，这个环是由一个引力透镜透过的光子组成的球体产生的，这些光子在进入我们的眼睛之前会受到黑洞的引力弯曲。
根据事件视界望远镜组织发布的六页报告中第一页的内容，假设引力不那么强的话，你会看到光受到引力弯曲形成一个比你想象中更大的球体。
“我们发现每弧秒有50%以上的辐射通量来自事件视界附近，并且发射量还受到了内部区域超过10倍的压制，这也给出了预测黑洞阴影的直接证据。”
广义相对论的预测与我们得到的结论一致，这是爱因斯坦最伟大理论中另一项惊人的成就。
图解：上图中四个不同时间的不同图像清楚地表明，在一天内，图像变化不大，但在三四天之后变化很大。考虑到M87星云变化的时间尺度，这与我们对黑洞的演化过程的认识是极其一致的。图片版权(EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION)
6.黑洞是动态物体，它们发出的辐射会随时间变化
重新构建后，黑洞质量约为65亿个太阳质量，而光穿过黑洞的事件视界大约需要一天。这就是大致的时间尺度，在这个时间尺度上，我们可以通过事件视界望远镜观测到的辐射特性的变化和波动。
尽管观测时间只有几天，我们也确定了辐射的结构会随着时间变化，与预测一致。2017年的数据包括了四个晚上的观测结果。就算只看一眼这四张图片，你也能清楚地看到前两个日期有相似的特征，后两个日期也有相似的特征，但是在前者和后者之间有明显的变化，而且是可变的。换句话说，M87黑洞周围辐射的特征确实在随着时间的推移而改变。
图解：我们星系中的超大质量黑洞见证了很多惊人明亮的耀斑，但没有一个像XJ1500+0134那样持久明亮。基于这些存在，钱德拉X射线望远镜在19年的时间内获得了大量的数据储存在天文中心。事件视界望远镜将逐渐带领我们探索它们的起源。图片版权(NASA/CXC/STANFORD/I. ZHURAVLEVA ET AL.)
7.未来，事件视界望远镜将探究出黑洞耀斑的起源
我们已经在x射线和射电中看到，银河系中心的黑洞发生过短暂的辐射爆发。尽管首先发布的图像是M87星系中的超级黑洞，但我们星系中的这颗黑洞——人马座A*——也将变得和它一样大，不过会以更快的时间尺度发生变化。
人马座A*的质量只有400万个太阳质量，是M87中央黑洞的0.06%。这意味着，人马座A*不是在一天的时间尺度上变化，而是一分钟。它的特征迅速变化，当耀斑发生时，它应该能揭示这些耀斑的性质。
耀斑与我们能看到的射电特征的温度和亮度有什么关系?是否发生了类似于太阳日冕物质抛射的磁场湮灭事件?是不是有什么东西从吸积流中消失了?人马座A*每天都有耀斑，所以我们能够追踪到与这些问题相关的信号。如果我们的模拟和观察结果和M87一样好，我们就能确定是什么导致了这些现象，也有可能知道是什么掉进黑洞创造了这些。
图解：这幅图展示了黑洞的周围环境，可以看到一个由过热等离子体和相对论性喷流组成的吸积盘。我们还无法确定黑洞是否有独立于其外部物质的磁场。图片版权(NICOLLE R. FULLER/NSF)
8.偏振数据结果出具，将会证明黑洞是否固有磁场。
当我们都在欣赏黑洞事件视界的第一张图片时，重要的是要意识到全新的图景即将到来，并展示来自黑洞的光的偏振。由于光的电磁性质，它与磁场的相互作用将在其上留下特定的偏振特征，让我们能重建黑洞的磁场，以及磁场如何随时间变化
我们知道事件视界外的物质，因为它是基于移动的带电粒子(如电子)，会产生它自己的磁场。模型表明，这些磁场线要么留在吸积流中，要么穿过事件视界，最终被黑洞锚定。这些磁场、黑洞的吸积和变大，以及它们所发射的喷流之间存在着某种联系。没有磁场，吸积流中的物质不可能因失去角动量落入视界。
通过偏振成像，偏振数据将告诉我们黑洞的一些真相。我们已经得到了数据，只是还需要进行全面的分析。
图解：在星系的中央存在着恒星、气体、尘埃和(我们现在知道的)黑洞，所有这些都围绕着星系中心的超大质量物体的轨道运行，并与之相互作用。这写超大质量物体不仅对弯曲空间有反应，它们本身就会使得空间扭曲。这也会导致中央黑洞抖动，而未来对事件视界望远镜进行升级后，我们也许可以看到这种抖动。图片版权(ESO/MPE/MARC SCHARTMANN)
9.对视界望远镜的升级将帮助我们发现星系中心附近存在的额外黑洞。
当一颗行星围绕太阳运行时，并不只是因为太阳对行星施加了引力。相反，有一个相等且相反的作用力，让行星把太阳拉回来。与这个现象相类似，当一个物体绕黑洞运行时，它也会对黑洞本身施加引力。在星系中心附近有许多大质量存在——理论上，许多还未发现的小黑洞也存在——中心黑洞应该处于布朗运动式的抖动。
现在想要观测这些额外黑洞的困难之处在于，你需要一个参照点来校准你相对于黑洞的位置。这项技术需要观测你的校准器，然后观测你的目标，然后重复操作。这要求你首先看向别处，然后很快地回头观测你的目标。不幸的是，大气变化太快，在1到10秒的时间尺度上，你没有时间去看别处，然后再回头观测你的目标。至少当今的技术是做不到的。
但这是一个技术进步非常快的领域。事件视界望远镜组织使用的仪器预计将在近期升级，并在本世纪20年代中期达到要求速度。由于仪器设备的升级，这一难题可能在最晚十年后得到解决。
图解：这是一张钱德拉南天深场700万秒曝光的地图。这个区域里展示了数百个超大质量黑洞，每个都位于一个远离我们的星系中。哈勃望远镜的一个项目古德斯-南场，将以这幅原始图像为中心进行观测。升级后的事件视界望远镜也许能观测到数百个黑洞。图片版权(NASA/CXC/B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)
10.最后，事件视界望远镜终将看到数百个黑洞
为了观测黑洞，你需要分辨率更好的望远镜阵列（以获得更高的分辨率），至少要好于观测物体的大小。对于目前的视界望远镜，宇宙中只有三个已知的黑洞有足够大的直径:人马座A*，M87的中心，和(射电平静)星系NGC 1277的中心。
但我们可以通过将望远镜发射到轨道上来加强视界望远镜的拍摄能力，使其超出地球的局限。理论上这是可行的。事实是，俄罗斯的太空电波望远镜现在正在做这样的事！带有射电望远镜的航天器阵列在环绕地球的轨道上运行，这将让我们望远镜阵列的分辨率大大提高。如果我们将基线增加10或100倍，我们的分辨率也会增加相同的倍数。同样的，当我们提高观测频率的时候，我们也提高了分辨率，就像高频光的波长可以更多地穿过相同直径的望远镜一样。
有了这些提升，我们不仅可以发现几个星系，还可以发现数以百计的黑洞，甚至更多。随着数据传输速率的不断提高，快速下行链路成为可能，因此我们不需要将数据返回到单一位置。黑洞成像的前途可期。
当然我们要认识到，如果没有全球、国际科学家网络和设备的共同努力，我们绝对不可能做到这一点。想要了解更多关于这一惊人成就是如何达成的，请关注史密森学会的纪录片，该纪录片将于本周五，4月12日首映。
许多人已经在猜测，虽然今年已经太晚了，但这一发现可能会获得早在2020年颁发的诺贝尔物理学奖。如果确实发生，可能获奖的候选人包括：
谢普·多尔曼（Shep Doeleman），他是探测和拍摄黑洞项目的先驱，创始人和领导者，
海诺·福尔克（Heino Falcke）写了一篇开创性的论文，详细介绍了事件视界望远镜使用的甚长基线干涉测量技术（VLBI）如何对事件视界成像，
罗伊·科尔（Roy Kerr）对于广义相对论中旋转黑洞的解决方案是本次模拟中细节处理的基础，
让-皮埃尔·卢米内(Jean-Pierre Luminet)在上世纪70年代首次模拟了黑洞的图像，并提出M87是一个合适的研究对象，
还有艾弗里·布罗德里克（Avery Broderick），他在模拟黑洞周围的吸积流上做出了重要贡献。
图解：这张图显示了2017年对M87的观测中使用的所有事件视界望远镜和望远镜阵列的位置。只有南极望远镜无法拍摄到M87的图像，因为它位于地球的最南端，该位置无法观测到该星系的中心。（国家射电天文台）
事件视界望远镜是科学高风险、高回报的显著例子。在2009年的十年回顾中，他们雄心勃勃的宣称，到20世纪20年代末将会有一张黑洞的图像。十年后，真的拥有了黑洞图像。这是一个不可思议的成就。
它依靠先进的计算技术，大量射电望远镜设施的建设和集成，以及国际社会的合作。原子钟，新的计算机，可以连接不同天文台的连接器，以及许多其他的必要新技术插入到每个空间站。研究人员需要得到观测许可、资金以及测试时间。除此之外，还需要得到允许同时用不同的望远镜进行观测。
但这一切都发生了，令人惊喜万分，这一切都得到了回报。我们现在生活在黑洞天文学的时代，事件视界就在那里，等待着我们去想象和理解。这仅仅是个开始。通过观察黑洞----连光都无法逃逸的区域，我们获得了前所未有的收获。
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3. medium-Ethan Siegel
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本文选自：今日头条 |
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发表于 2019-7-3 21:13:43
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