自上世纪中期开始人们对黑洞的探秘就从未停止过。

起源:中国的科普

本文专家:吴北京大学地理与地理系主任、教授。

先冷静一下激动的情绪。北京时间今天晚上21:00，第一张黑洞照片即将面世！

是的，是第一个。在那之前，人类都是直接的。参见& rdquo黑洞，这次是直接的& ldquo拍& rdquo趴下。

这个有多大？

这么说吧，今晚全球六个地方(智利布鲁塞尔，上海台北，日本东京，美国华盛顿)一起开发布会，同步发布！这可能是今年最重要的科学发现之一。

在上海，EHT项目和中国科学院将释放这一重大影响。

时间

北京时间2019年4月10日21时，

地址

中国科学院上海台地

什么是黑洞？世界上真的有黑洞吗？黑洞的照片会是什么姿势？下面就来一一揭秘吧。

什么是黑洞？

自上世纪中叶以来，人们对黑洞的探索从未停止。

200多年前，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯提出，质量满足度大但体积满足度小的恒星会有很强的引力，以至于连光都无法从其表面逃逸，所以这颗恒星完全& ldquo黑色& rdquo是的，但是这个推论后来被遗忘了。

1915年爱因斯坦公布广义相对论后不久，德国数学家史瓦西得到了静态球对称下爱因斯坦场方程的一个解，并且这个解在一个特殊半径(后来称为史瓦西半径)处是奇异的。

M87星系中心超大质量黑洞的仿像。中间的黑色区域是黑洞的轮廓。|图片来源:Jason Dexter(左)和Kazunori Akiyama(右)

1939年，美国物理学家奥本海默等人也证明了确实存在一个时空区域，光不可能从这个区域逃逸，到达远处的观测者。这个区域的距离称为视界，视界的半径就是静态球对称情况下的史瓦西半径。假设一个天体的半径小于史瓦西半径，那么这个天体应该是& ldquo黑色& rdquo是的，我们看不到。

科学家认为这些引力极其强大我看不见& rdquo这个特殊的天体叫做& ldquo黑洞。。所以黑洞也是爱因斯坦广义相对论预言的产物。

国际黑洞是如何被发现的？

他们发现，在X射线望远镜发现的一些双星(由一颗细星和另一颗正常星组成)中，细星的质量大于中子星的上限(约为太阳质量的3倍)，但半径相似，因此他们认为这些引力很强的细星只能是黑洞。

现在银河系中已经发现了20多个黑洞X射线双星，它们的黑洞质量大约是太阳的5到20倍。

黑洞剪影的仿像:广义相对论预言剪影是圆形的(中间)，其他理论预言的是不同的形状(左右)。|图片来源:D. Psaltis和A. Broderick

近年来，地球激光stem和引力波平台(LIGO)已经宣布发现了11对双黑洞，这些黑洞的质量是几十个太阳质量。

地质学家一般将这些质量为几个到一百个太阳质量的黑洞称为恒星黑洞。

二战后，雷达技术被广泛应用于无线电地理，发现了许多国际射电源。这些射电源的一些光学图像看起来像恒星，但光谱观测表明，它们本质上不是恒星，而是银河系外的遥远天体，谱线发生了巨大的红移。

这些被称为& ldquo类星体& rdquo活动星系核可以辐射出数倍于银河系的能量，其发光原理无法用核反应来解释。

科学家认为类星体的力量来自于巨大的引力能量& darr

图1:类星体中心超大质量黑洞、吸积盘和喷流示意图|图片来源:NASA/戈达德太空飞行中心。

后来的观测表明，在像我们银河系这样的正常星系中心，存在着质量超过一百万个太阳质量的黑洞，但是由于这些正常星系中心的黑洞周围没有太多的物质，所以它们的性能还不如类星体中心的黑洞& ldquo生动& rdquo，无法释放类星体那么多的能量。

地质学家把中心质量是太阳一百万到一百亿倍的类星体和黑洞称为超大质量黑洞。

那么世界上在恒星黑洞和质量为太阳几十万到几十万倍的超大质量黑洞之间是否存在中等质量黑洞呢？地质学家在一些邻近星系的极其明亮的X射线源中发现了中等质量黑洞的痕迹，但需要更多的观测来证明这一点。

黑洞照片会是什么姿势？

虽然地质学家已经发现了很多恒星黑洞和超大质量黑洞，但都是通过黑洞的强大引力对周围物质和恒星的影响直接探索出来的。

虽然世界上的黑洞不发光(霍金辐射太弱，在地质学家发现的黑洞中不可忽略)，但由于黑洞不是孤立的，它们对周围物质和恒星的影响可以被大量观测到，以便地质学家找到它们，测量它们最重要的物理参数——质量。在少数情况下，地理学家甚至可以利用观测结果来测量一些黑洞的旋转。

但是仍然缺乏对黑洞的直接探索和成像。黑洞的主要特征是存在一个工作视界，其大小为史瓦西半径。

恒星黑洞系统示意图|图像来源:http://www.uux.cn/viewnews-9278-page-1.html

对于银河系中质量为几十个太阳的恒星黑洞来说，史瓦西半径只需要几十公里，而这些黑洞都距离我们几万光年(1光年约为9.5万亿公里)。工作视界太小，无法探索。最有可能直接成像其工作视界的黑洞是离我们很近的两个超大质量黑洞，分别是人马座的银河系中心和室女座的射电星系M87中心。

银河系中心的黑洞Sgr A*质量约为400万太阳质量，距离我们2.5万光年，工作视界半径约为1200万公里。射电星系M87中心黑洞质量为60亿太阳质量，距离我们5000万光年，工作视界半径约180亿公里。

要在工作视界附近拍摄这两个超大质量黑洞的照片，望远镜的分辨率需要达到十微角秒左右(一微角秒是百万分之一角秒)，适合分辨月球上的一个乒乓球，这对人类来说是一个极大的挑战！著名的哈勃太空望远镜的分辨率只有0.05秒。

然而，地理学家还是想出了一个办法。他们使用分布在全球几个大洲的8台毫米波望远镜组成一个sum阵列(即工作地平线望远镜EHT)。阵列的基线长度和地球的大小合适，角分辨率可以达到几十微秒。因此，他们有能力对银河系中央黑洞和射电星系M87中央黑洞视觉界面附近的区域进行成像。

那么，工作视界望远镜拍摄的黑洞照片到底是什么姿态？

图3:望远镜全球分布示意图。红点代表望远镜的位置。图片产地:http://m.sohu.com/a/133852929_376569.

首先，黑洞本身是不发光的，我们看到的所有发光的做法都是来自工作视界之外的物质，而不是来自黑洞本身，但是照片中会留下黑洞的存在& ldquo影子& rdquo。其次，黑洞的强引力引起的相对论效应，如光的弯曲、引力的红移等，会导致黑洞周围物质的光发射的不对称和曲解。

此外，& ldquo环境& rdquo不完全清洁，灰尘、气体、磁场、射流等因素都会影响工作视界外物质的发光。而且工作视界望远镜的分辨率还是有限的，图像测量和重建的过程也是杂乱的& darr

EHT团队模仿的黑洞附近的照片及其测量和重建过程|图片来源:https://eventhorizontelescope.org/science

所以，虽然我们非常期待工作视界望远镜拍摄的第一张黑洞照片，但是如果看到发布的照片没有那么漂亮清晰(比如上图右边的姿势)，也不要惊讶。

万事开头难！未来我们看到的黑洞照片一定会比现在更精彩。