在黑洞现出“真身”之前，科学家怎样证明它是真的存在？

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在黑洞照片公布之前，黑洞一直都在我们的想象中。诺兰的《星际穿越》围绕着时空错乱、黑洞潮汐力、负能量物质大开脑洞，这些想象都是因为我们无法真正观测到黑洞！那么为什么科学家会肯定黑洞的存在呢？到底有哪些证据呢？

出品："SELF格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）

以下内容为中国科学院上海天文台左文文演讲实录：

2019年4月10日，科研人员发布了首张人类捕获的黑洞照片。很多人看到这张照片都觉得它像一个“甜甜圈”，那么这个“甜甜圈”真实的物理尺寸有多大呢？

有1000亿千米。但是因为照片中的这个黑洞距离我们有5500万光年，因此看起来尺寸非常小，只有41微角秒。

这个大小相当于把量角器上的一度分成一亿份，那一亿分之一度就是这个“甜甜圈”的大小，可见这个黑洞非常之小。

为了拍到黑洞，全球200多位科学家组成了一个团队，将遍布全球的8套珍贵的毫米波望远镜阵列，组成了一个等效口径和地球直径差不多大的望远镜，科学家收集到黑洞的信息后，又花了近两年的时间，才得到了这张照片。

其实在2019年4月10日发布之前，我已经看过这张照片了。但是得知大家都看到这张照片后，我十分兴奋，比我当初看到它时还要欣喜。这就好像你有一个朋友，大家都非常认可你的朋友一样。

经常有人问我这样的问题：黑洞是什么？黑洞真的存在吗？我们为什么要研究黑洞？这就是今天我想跟大家分享的三个话题。

黑洞是什么

说到黑洞，不得不提一位著名科学家——爱因斯坦。请不要只相信课本上爱因斯坦老年时候的照片，他年轻的时候相当英俊潇洒，绝不输任何一位好莱坞明星，但更帅气的还是他充满智慧的大脑。

104年前，他提出了广义相对论，核心是爱因斯坦方程。他革新了原来的绝对时空观。曾经一次采访中，爱因斯坦说，我这个人就是比较坚持，别人都认为时间和空间是独立的，而我认为它们可能是一起的。

如果用一句话来描述他的理论，就是物质的质量决定了时空如何弯曲，而时空弯曲决定物质而如何运动。用一个弹簧床去模拟时空的话，放一个球，球有质量，弹簧床就弯曲了，而弯曲了的弹簧床又会影响周边物体的运动。

举个例子，现在大家都坐在舒服的椅子上，椅面其实已经凹陷，如果你在椅面上放一个小球，会发现小球会自然地往椅面凹陷处滑动。这其实就是，你决定了椅面怎么弯曲，而椅面的弯曲又决定了椅面上的物体如何运动。

德国物理学家史瓦西

就在同一年，还在一站战场上服役的德国物理学家史瓦西就给出了爱因斯坦方程的首个精确解，反映了什么呢？当一个天体坍缩至一个临界半径时，物质将继续坍缩至中心奇点。这个临界半径就是事件视界半径，在视界内，其引力强大到连光都无法逃脱。

如果连光都没法逃脱，那么就是说没法看见它。1969年，约翰惠勒给它取名黑洞。惠勒就是《星际穿越》电影的科学顾问，黑洞大牛。

最简单的黑洞模型

可惜的是，史瓦西英年早逝，没有看到他提出的最简单黑洞模型被称作史瓦西模型。

连光都无法逃离因此天体内部一片漆黑

如果我们进一步研究史瓦西的解，就会发现这样一个性质，你、我、我们所处的房子，其实都有自己的临界半径。

也就是说，如果把自己或者这栋楼压缩到各自的临界半径的时候，就可能产生一个黑洞了。而当物体被压缩到不受控制持续往中心塌缩的时候，一个体积无限小的奇点也就出现了。

我们把黑洞的临界半径叫作事件视界。给黑洞拍照的望远镜其实就叫事件视界望远镜。既然我们想拍一拍事件视界附近的情况，这说明我们已经认同了，目前人类无法知道黑洞里面的情况。

那么这个视界面的大小和我们有什么关系呢？如果把我自己压缩成一个黑洞，那得压缩成多小呢？视界面的大小和质量有很大的关系：质量越大，黑洞的视界面半径越大，反之，质量越小，视界面半径就越小。

如果把太阳压缩成一个黑洞，它的视界面半径是3000米左右；把地球压缩成一个黑洞，它的视界面半径只有9毫米；把我压缩成一个黑洞，估计视界面半径比原子核还要小了。

黑洞真的存在吗

宇宙中究竟有没有黑洞呢？有的，我就是观测黑洞的。

三类黑洞

根据质量，宇宙中的黑洞分为三类：恒星级质量黑洞，超大质量黑洞，还有介于两者之间的中等质量黑洞。

目前，恒星级质量黑洞和超大质量黑洞我们都找到了确切的案例。唯独介于两者之间的中等质量黑洞，我们目前还没有找到确切的候选体，这也是待解的难题之一。

其实，几乎已知的每一个大质量星系的中心都存在着一个超大质量黑洞。那我们是怎么知道它们的呢？首张黑洞照片算是比较直接的证据，实际上，让我们对黑洞了解更多的，反而是它的间接证据。

就像我们看不到风，但是我们可以通过风吹动衣服或旗帜来判断风的存在。对于黑洞，也是类似的观测原理。

恒星的运动透露了黑洞的踪迹

大家现在看到的动图，其实是我们对银河系中心的18颗恒星进行长达16年的观测后得到的一个结果。夏季，如果大家去比较偏僻而宽阔的地方，或者光污染比较弱的地方，抬头应该会看到一条银河光带。

在这条光带最宽的区域里，有一个茶壶状的星座，这个星座中就是银河系的中心。团组进行长达20多年观测研究的就是银心区域附近的恒星。

这些恒星不仅在转动，而且好像围着一个看不见的中心在转动。我用五角星标识出了这个地方。那么这个中心区有多小呢？比太阳系还要小，只有地球到太阳之间距离的130倍，但是这么小的区域居然包含了质量为太阳410万倍的天体。

这么小的区域却有这么大的质量，我们不知道它是什么天体，它只可能是黑洞的候选体，是银河系自己的黑洞。这些是我们通过恒星和气体的运动判断出来的。

第二类间接证据是就是黑洞“吃”东西会发光。所以可以通过观测黑洞发出来的光，去判断黑洞的存在。

我们都知道，黑洞是具有很强引力的天体，周围的气体会往黑洞的方向下落。大家回想一下，平时洗脸池中的水往下流的时候是不是一边转一边流？

黑洞“吃”东西也是这样，被它“吃”掉的气体也是一边转一边往下落，最后在黑洞的周围形成一个盘，我们管它叫吸积盘。

大家可以想一想水力发电。水从高处落下，水所具有的强引力势能会转化成机械能，推动发动机工作，进而发电。

那么当物质和气体从高处落下，掉到黑洞的时候，也一定会释放出很强的引力势能。这些引力势能也会转化为光和热，而且转化效率非常高。

有多高呢？我们可以简单做个对比：煤的燃烧是化学燃烧，太阳发光是核聚变。煤燃烧相当于你在银行存了10000亿元，可以取出3元钱的利息；太阳发光相当于你在银行存了1000元，可以取出7元的利息。

黑洞对周围物质的吸积、吞噬所转化的光和热，相当于你在银行存了100元，可以取出少则十几元，最多40元的利息。

以超大质量黑洞为例，如果把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆，普通星系就相当于一个身高5万米的巨人，虽说黄豆大小的活跃黑洞比巨人般的星系小千万倍，但每秒钟发出的能量要强很多。

这种小尺寸、大能量的性质使我们推断它可能是黑洞。

第三类证据是什么呢？现在你们听到的是一种引力波的声音。通过对这种引力波信号的研究，我们知道它对应的是两个恒星级质量黑洞的碰撞和并合，就好像我们看到了两个黑洞“打架”的现场。

我们可以推测这两个黑洞有多大，质量比是多少。所以，引力波也间接告诉了我们恒星级质量黑洞的存在。

为什么要研究黑洞

不论是黑洞的首张照片，黑洞对周围气体和恒星的影响，还是黑洞发光以及引力波等，这些直接或间接的证据都告诉了我们，黑洞是存在的。我们为什么要研究黑洞呢？

我脑海中闪过的第一个理由是好奇心，毕竟很多时候我们是因为好奇而想去做研究。但显然这个理由并不能说服大家。

我们所处的银河系里就有这么一个超大质量黑洞，我们为什么不去了解它呢？这个超大质量黑洞和我们人类有什么关系？它会不会影响到我们的日常生活？

我给大家这样分析一下，一方面，这个黑洞的质量有410万倍太阳质量那么大，它距离我们有2.6万光年。距离这么远，我们受到来自于它的引力微忽其微，所以引力的影响可以忽略了。

一颗超大质量黑洞

但如果我们以银河系中心为球心，以我们到银河系中心的距离为半径画一个巨大的球，大家知道这个球里存在的质量有多少吗？900亿倍太阳质量。900亿和410万，差得不是一点点。

所以，决定太阳如何运动的不是黑洞，而是气体、恒星，还有占比最大的暗物质。这刚好验证了一句话——团结就是力量。

另一方面，活跃的黑洞会发光，并且发的光还很强。有意思的是，银河系中间的黑洞并不活跃，它很宁静，所以它发出来的光和能量比较弱。又因为我们离它很远，所以等到这个黑洞到达地球表面的时候，强度就更弱了。

况且，地球自带两大保护层，一层是大气层，一层是磁场，它们保护我们免受高能粒子、高能光子的影响。

综合这几点，我们可以得出一个结论：银河系中心的超大质量黑洞所发出的光，对我们的影响可以忽略不计。

银河系中有上亿个恒星级质量黑洞

除了银河系中心的这个超大质量黑洞，理论上，银河系当中还应该存在上亿个恒星级质量黑洞。虽然目前只探测到了20多个，但一想到还有那么多的恒星级质量黑洞，我们是不是应该关注一下呢？

不管是超大质量黑洞，还是恒星级质量黑洞，对于人类而言，目前已知黑洞候选体带来的引力影响都可以忽略不计。

但是，既然每一个大质量星系的中心都有一个超大质量黑洞，那么黑洞和它所处的星系之间有什么关系呢？

黑洞与星系的关系

请大家看看这张图。这是离我们比较近的大星系中心的一个黑洞，星系中有一个名叫核球的部分，而这张图片就反映了黑洞质量和核球质量的相关性。

我们可以看到，它们两者呈正相关性，也就是说，黑洞质量越大，它所居住的星系中心的核球质量也会越大。

这是不是说明，黑洞的成长和星系的成长是相关的呢？目前这个问题还是一个未解之谜，所以对黑洞的研究能够帮助我们认识星系，认识黑洞和星系的关系。

除了对研究星系有很大的帮助，对研究整个宇宙的历史，黑洞的功劳同样功不可没。如果把我比作一个活跃的黑洞，我正在吃东西，正在发光，我发出的光会经过一排一排又一排的观众直达最后一个观众的眼里，因为今天这个场地很小，所以光减弱的效应非常弱。

可是如果距离我们几十亿光年之外，光穿越到地球都需要几十亿年的话，那这个黑洞发出的光会非常强，光会经过很多的星际介质直到地球。

望远镜最终记录下的光谱是这样的，上面有很多的凹陷区域，我们把它们叫作吸收线，吸收线反映了黑洞发出的光在穿越的过程中，星际介质所留下的痕迹。

大家现在看到的是我拍摄到的活跃黑洞的光谱，通过研究黑洞的光和光上留下的痕迹，我们可以研究星际介质的分布有多少，它们是怎么分布的。所以，研究黑洞有利于研究宇宙的历史。

虽然超大质量黑洞、恒星级质量黑洞在银河中对我们的影响非常小，但对于研究黑洞自身、黑洞与星系、黑洞与宇宙来说，黑洞的研究都是非常关键的。黑洞还有很多的秘密没有解决，这都促使我们一定要去研究黑洞。

科学家如何研究黑洞

不知道我上述说的理由能不能说服大家，黑洞研究其实是非常有意义的，有价值的。那我们到底该怎么研究黑洞呢？

前面提到的直接证据或者间接证据，一方面证实了黑洞的存在，另一方面也是研究黑洞的好素材。下面我给大家讲一讲，我是如何利用黑洞发出的光来探测黑洞周围气体的运动，进而知道黑洞的质量的。

地球绕太阳转示意图

先给大家看一个简单的模型，这是太阳和地球运转的示意图。我们知道地球围着太阳转，更准确地说，它们是围绕着共同的质心在转动。

如果我知道地球围绕太阳转的速度是多少，再知道太阳和地球的距离是多少，我就能算出太阳的质量是多大了。

活跃黑洞简易模型图

这张图是我们对一类活跃黑洞做的简易模型图。中间是黑洞，旁边的区域是气体下落形成的吸积盘，吸积盘外还有一些气体云块。

通过拍摄黑洞发射的光，我想知道两个信息：气体云块距离黑洞有多远？气体云块围绕黑洞转的速度是多少？就有点类似通过观测银河系中心黑洞附近的恒星运动，从而算出银河系中心黑洞的质量。

第一个活跃黑洞的图像和光谱

图左是人类看到的第一个活跃黑洞——3C 273的照片，这是我们在光学波段可以看到的它的样子。它像一个星点，所以我们把它叫作类星体（类似恒星的星体）。

实际上，它是一个活跃星系的中心，也就是一个黑洞。图右是这个黑洞的光谱，它包含了很多个频率的信息，反映了在比较小的频率波段，光的强度有多强。

而我的工作是什么呢？我的工作就是从技术上去分析这样的光谱，从而找出哪些是吸积盘发出的，哪些是气体云块发出的。

就拿这个光谱来说吧，气体云块发出的光是发射线，而吸积盘发出的光是连续的，如果做一个拟合的话，就是图中连续谱的情况。

通过研究气体云块发出的信号，我就能知道气体云块围绕黑洞转的速度，再基于一些经验关系，从连续谱的信息中，我又能知道气体云块距离黑洞有多远。有了这两个数据，我就可以算出黑洞的质量有多大了。

和黑洞当朋友十年多了，我从它的身上学到了很多东西。我觉得黑洞真的是宇宙中最优雅、最单纯的天体，为什么这么说呢？

因为完整地描述黑洞，只需要三个参量就够了：质量、电荷（是否带电，带正电还是负电，带多少电）、转动能力（角动量）。

可是要完整地描述我的大拇指指甲盖，大家知道需要多少个参数吗？上亿个都不止。因为指甲盖由分子组成，分子有原子，原子又有原子核和电子，原子核又有质子和中子，质子和中子又有夸克，而要描述夸克又得要多个参数。

三个参数和上亿个参数相比，黑洞确实是一个非常单纯的天体。

虽然黑洞自身尺寸非常小，一个太阳黑洞的视界半径才3000米，一个地球黑洞的视界半径才9毫米，但黑洞所居住的星系比它大多了。一个黑洞相当于一个小黄豆，它所居住的星系相当于一个直径50000米的大球。

尽管体积相差巨大，但这个小家伙每秒钟发出的能量，发出的光却是那个大家伙每秒钟发出的几千倍，甚至可能还会对那个大家伙产生一定的影响。

有时候我会想，宇宙是一个很大的领域，我是研究黑洞领域的，而黑洞领域又很宽泛，我是通过观测光来测黑洞的质量；有的人是基于测好的黑洞质量去研究黑洞和星系的关系；还有的人会研究吸收线的特征，研究星际介质的情况……每个人研究的领域其实都非常小。

从黑洞，我学到的道理：做个像黑洞那样优雅、纯粹的人；就像黑洞很小，但仍可能对比它大许多的星系产生大影响；我们也很渺小，但我们是历史长河的一部分，也能激起一点水花 。

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