探测黑洞

人类要敬畏头顶上的星空，那儿有亮星也有黑洞，它们还喜欢牵手而行。众里寻他千百度，亮星旁边有黑洞……

如今大家对黑洞已经不陌生，有时在新闻里都有报道。一百多年前，爱因斯坦建立了他最引以为傲的广义相对论，人们将它用于宇宙得到三个预言：宇宙膨胀、黑洞、引力波，爱因斯坦都不相信它们真实存在。爱因斯坦直到1955年去世为止，一直不相信宇宙中真有黑洞。因此，黑洞是爱因斯坦理论的预言，却不是爱因斯坦本人的预言。然而，天文学100年来的进展，越来越证实黑洞的存在。宇宙中可能存在的黑洞有3种：极小、恒星级、超大。除了量子级别的极小黑洞尚未被发现，其它两类黑洞的巨大引力对其周围物质引起的间接效应，都已经被多次观察到。

·恒星黑洞

德国物理学家史瓦西从广义相对论得到 “史瓦西黑洞” 解。之后，印度物理学家钱德拉塞卡，以及美国物理学家奥本海默对引力塌缩的研究，得到预言：大于（8个）太阳质量的恒星，当热核物质烧完后，引力塌缩可能形成三种天体，黑洞是其一。

恒星归宿的三种天体，白矮星早在1910年就被发现，中子星也在1967年被发现。于是，20世纪六七十年代，天文学家们开始在天空中寻找黑洞。茫茫宇宙中，黑洞在哪里呢？黑洞不发光、不辐射，便不能被看见，那么应该如何来寻找它们？最后，人们把寻找的目标指向了双星系统。

第一个恒星黑洞，在探测X-射线源时被偶然发现于一个双星系统。说偶然也不偶然，X射线源、双星，这些其实都和黑洞的特点有关。我们依赖接受来自天体的辐射，寻找星星探月观天。辐射除了可见光之外，还有射电波、X射线、伽马射线。

火箭把人带上了太空，能够到太空探测X射线，更为方便。1962年，美国天文学家贾科尼进行X射线全天扫描利用探空火箭。1970年，贾科尼在天鹅座的一颗蓝巨星处发现一个很强的X射线源。进一步研究蓝巨星的运动，发现她不是单身，还有一个暗藏的舞伴！

强大的X射线都是来自于这个舞伴，原来蓝巨星与一个黑洞相伴！蓝巨星和黑洞共同牵手十分美妙舞姿翩翩。蓝巨星质量约20-40太阳质量，舞伴10-20太阳质量，超过形成黑洞的极限。贾科尼后来获得2002年的诺贝尔物理奖，因为他对X射线天文学的研究，也包括他对人类第一次发现黑洞（天鹅座X-1）的贡献！

 

寻找黑洞（视频）

天鹅座X-1黑洞视界半径约为26km，离我们6000光年。霍金的名字也经常与黑洞连在一起，造成错觉，人们以为他发现了黑洞。黑洞发现者不是霍金，他只是研究黑洞理论的一连串物理学家中之一：

爱因斯坦方程 =》史瓦西解 =》贝肯斯坦熵 =》霍金辐射 =》彭罗斯奇点

第一次观察到天鹅座X-1可能是黑洞时，霍金便与基普·索恩打赌，霍金赌天鹅座X-1不是一颗黑洞，索恩则相反。两人以互订杂志为赌注：如果霍金赢，索恩给他订4年《侦探》，反之，霍金给索恩订1年《阁楼》。实际上当时，两位学者都知道天鹅座有80%的可能性是黑洞，但这是霍金采取的打赌的“保险措施”。因为他无论输赢都高兴，赢了得杂志，输了则证明了他的理论。

后来，观测证据显示这个系统中存在着引力奇点，的确是一个黑洞。霍金承认打赌失败，给索恩订了一年杂志，还大张旗鼓地按手印“认输”，但他打心眼里高兴，因为这是黑洞物理理论的第一个观测证据。

 

霍金为第一个黑洞打赌

·第一张黑洞照片

 

爱因斯坦生前不相信黑洞真实存在，他去世十来年后发现的第一个恒星黑洞，14倍太阳质量，固然令他吃惊和高兴，但听到这个超重黑洞，太阳质量65亿倍的巨无霸，人类还给它拍了一种照片，再一次证明爱因斯坦神预言，天堂里的他会怎么想呢？

 

科学家们不仅确定了宇宙中存在超大黑洞，还公布了第一张黑洞照片，超大黑洞存在于星系中心，在我们的银河系中心处，人马座A*就是一个黑洞。

 

科学家们判定黑洞，只是间接地从它对周边物体产生的效应，很难有直接证据。例如，2019年之前从来没有给它们拍过照片，为什么呢？都说眼见为实，看不见黑洞总能看见它周围围绕着的东西吧，有张照片也好啊！

 

给黑洞拍照很困难，主要原因是它们太小了！

 

我们能看见并看清楚物体，一是要接受到足够强的信号，二是要有足够大的视角。离得太远使得信号太弱；且物体也太小视角小无法分辨。黑洞吸收一切无亮度可言，信号强弱需考虑周边气体吸积盘的辐射。视角取决于距离及大小。例如，月球d=40万公里，直径3400公里，月面视角约0.5度。拿第一个恒星黑洞天鹅座-X1的数据来看看：距离6000光年，视界大小26公里，只有月面视角的10亿万分之一（ 10^-13 ）。

 

表征黑洞大小的只有一个参数，就是它的视界，与质量成正比的史瓦西半径，超大质量黑洞的质量是太阳质量的10⁵到10⁹倍，视界比恒星黑洞大多了。

 

因此人们将黑洞照的目标指向了超大黑洞：室女座中心的星系M87。这星系距离我们5500万光年，质量是太阳质量的65亿倍，特点是喷流特别长，喷流长度都有5000光年！

 

第一张黑洞照（视频）

 

尽管离得非常远，但与恒星黑洞比较，视角更大。因为距离几乎1万倍，但质量是万万倍，所以视角比天鹅座-X1大多了，但仍然只有月面视角的10亿分之一，0.000000002度，相当于从地球上给月亮上的一个橘子拍照！

 

望远镜接受的波长越短，口径越大，便有更小的角分辨率。M87黑洞是很强的1毫米左右无线电辐射源，使用接受1.3毫米波的射电望远镜。

 

为了达到高于0.000000002度的角分辨率，望远镜口径8000公里！地球上如何做出这么一个大铁锅？使用EHT！黑洞事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）是使用VLBI技术的虚拟望远镜。

 

EHT虚拟望远镜

 

让不同位置多个望远镜联合组成网络，同时观测一个天体。用地球上6个地点8台望远镜完成。整个EHT相当于口径为几千千米的望远镜。8个台站观测5天，两年处理数据，才成功地拍了这张照片！

 

·银河系中心的黑洞照片

 

5月12日，EHT公布了银河系中心的黑洞照片。

 

一张照片拍摄了3年，“洗”了5年！这是人们期待已久的、事件视界望远镜 (EHT)团队展示的，我们银河系中心的巨大黑洞，即人马座 A*的照片。从这个甜甜圈我们看到了些什么？

 

主要特征在预料之中。但并非所有现都与科学家预测的完全一样，有些令人惊奇的发现。

 

 

（左）M87的黑洞照片比较（右）银河系的黑洞照片

 

与M87的黑洞照片十分类似，比较一下：1，银河系的黑洞比 M87*小一千多倍，质量也小一千多倍，视角大小相当。2，我们有两种完全不同类型的星系和两种截然不同的黑洞质量，但靠近这些黑洞的边缘，它们看起来惊人地相似。3，这一成就比 M87* 困难得多，尽管 Sgr A* 离我们更近。两个黑洞附近的气体以相同的速度移动（几乎和光一样快）。但是， M87* 大，气体需要数天到数周才绕行一圈，而在小得多的人马座 A* 中，它只需几分钟即完成一圈。这意味着 Sgr A* 周围气体的亮度和模式在观察期间会迅速变化。M87* 是一个更容易、更稳定的目标，几乎所有图像看起来都一样，但Sgr A* 黑洞的图像是不同图像的平均值。通过来自世界各地 80 个研究所的 300 多名研究人员的合作共同完成。Sgr A* 黑洞的图像是 EHT 合作从 2017 年观测中提取的数千张不同图像的平均值。平均图像保留常见特征，抑制了不常出现的特征。