重读黑洞照片：这13个基本问题，你可能至今都没弄清楚 | 腾云大家
本文是 [腾云大家] 系列的第 001 篇文章
作者是复旦大学物理学系的 施郁 教授
距离第一张黑洞“照片”发布已过去整整一周，你一定看过了很多相关介绍，但或许还是回答不出这些问题：
什么是“处女座星系团的超巨椭圆星系M87” ？
黑洞不发出任何光，那为什么会有黑洞的照片？
为什么以前的望远镜不能观测到光环？
为什么照片里的光环下半边亮上半边暗？
......
想不出答案？没关系，我们已为你准备好了。今天的文章采取问答形式，兼顾专业性和知识性的同时，用普通读者最关心的13个基本问题串联起本次事件的众多知识点。
[腾云大家] 是腾云的新栏目，我们希望以此为平台，汇聚腾云智库中各领域专家的思想与智慧，通过文章呈现给你。
2019年4月10日，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）合作组发布了人类历史上第一张黑洞“照片”，这个黑洞是位于处女座星系团的超巨椭圆星系M87的中心可以写成M87*，*代表核心的超大质量黑洞。以下是这张黑洞照片背后的科学常识。
Q1
“处女座星系团的超巨椭圆星系M87”
是什么鬼？
天体之间都有万有引力，所以恒星（发光的星）、恒星死亡后的遗迹（比如白矮星、中子星和黑洞）、星际物质等等构成星系。
一个星系包含一亿到一百万亿个恒星，比如太阳所在的银河系里有几千亿个恒星。根据形状，星系分为椭圆、漩涡、柱状星系三种。银河系是漩涡星系。M87是椭圆星系。
M87是Messier87的简称，由梅西耶（Charles Messier）1781年发现。他将他觉得“像星云但没看到星”的天体编了个目录，里面的第87个就是M87星系。M87很大，包含12000个球状星团，而银河系只有一两百个。
因为万有引力，不同的星系又构成星系团。处女座星系团是从地球上看上去位于处女星座方位的星系团，包含一两千个星系。
Q2
黑洞是什么？
黑洞是这样一种天体，它对周围物体的引力如此之大，以至于光（任何电磁波都叫光）如果离它的中心足够近，就永远不能逃逸出来。
我们知道，光是最轻的，没有质量，相对于任何参照物的速度总是光速，不管这个参照物运动与否。所以光是最容易逃逸的。既然光都不能逃逸，那么其他任何物体都不能逃逸。
我们可以想象围绕一个质量的球面，这个球面只是指空间区域，不需要有任何物质在那里。球面里面的任何东西（包括没有质量的光）都无法逃到外面。这个球面叫做事件视界，简称视界。而视界里面的区域就定义为黑洞。视界是黑洞的一个关键性质。
不转动的黑洞叫做施瓦西黑洞，它的视界半径叫做施瓦西半径，与质量成正比。转动的黑洞叫做克尔黑洞，它的视界半径比施瓦西半径略小，与代表转动快慢的角动量也有关。
黑洞是爱因斯坦的广义相对论的预言（但不是爱因斯坦本人预言的）。广义相对论是将引力归结为时空弯曲。光总是走“尽量直”的道路，但是时空被大质量急剧弯曲，以至于光走不出视界之外。这个时空区域就是黑洞。
在宇宙中，质量足够大的恒星在能源消耗完以后，发生引力塌缩，形成黑洞，黑洞通过吸积周围的物质而增加质量。理论上还猜测，宇宙从大爆炸诞生之后不久，有所谓的原初黑洞形成。
Q3
黑洞里面有什么？
答案非常震撼：黑洞里面，除了中心，什么都没有！
黑洞所有的质量都集中在最中心的奇点。奇点是在经典的广义相对论理论框架里出现的概念，因为在这里引力无穷大。当我们考虑量子力学时，奇点可能会被消除。但是我们还没有一个理论成功地将引力量子化，将量子力学跟广义相对论结合起来。不过，霍金用量子力学预言了黑洞有非常微弱的热辐射。
从奇点到视界之间的区域其实都是空的，被吸进去的物质很快就会到达奇点，毁灭原来的形态，变成奇点质量的一部分。
这是根据物理原理作出的判断，但是黑洞之所以称作黑洞，意思就是没有光从里面出来，更没有其他物质能够出来，所以现在也无法实验验证黑洞内部的情况。
Q4
有人用牛顿力学论证了光逃逸不出黑洞，
为什么说黑洞验证了爱因斯坦的广义相对论？
在牛顿力学中，对于某个质量和半径的星球来说，如果一个物体要脱离它，初速度必须大于某个逃逸速度。18世纪的米歇尔（John Michell）和拉普拉斯注意到，如果这个逃逸速度比光速大，那么光就不能脱离这个星球。给定星球半径时，星球质量越大，逃逸速度越大；给定星球质量时，星球半径越小，逃逸速度越大。所以如果给定半径时，质量大于某个临界值；或者给定质量时，半径小于某个临界值，光就不能逃出星球，外面的观察者就看不到这个星球，这被称作“暗星”，它的半径正好等于上面所说的黑洞视界半径！
但是，尽管很有启发性，牛顿力学的暗星绝不是相对论的黑洞。黑洞是从相对论推导出来的，相对论的一个基本前提是光速不变，在引力场不会越来越小。而且从视界向外发出的光根本就离不开视界，而不是像牛顿力学中的物体那样速度逐步减少，然后再下落回来。
而且黑洞视界有些奇怪的性质。
假如你从视界外向内穿过它，会发现你正常通过，但是远方的观测者看到你只是无限逼近视界，而且觉得你的活动越来越慢，直到接收不到你发出的信号，时间停止。这是时空弯曲的后果，而你和远方观测者采用了不同的时空坐标系。
所以说，黑洞的存在验证了爱因斯坦的广义相对论。
Q5
在事件视界望远镜之前，
天文学家是如何探测黑洞的？
之前人们推测黑洞的存在，有几个方法。
一是通过黑洞附近物质和恒星的运动，分析它们的运动情况，可以推测黑洞的存在。比如银河系中心的人马座A*的超大质量黑洞的存在，就是根据附近的很多恒星的轨道分析出来的。
二是通过探测黑洞外的吸积物质发出的X射线，分析X射线的性质，也可以推测黑洞的存在。黑洞有很大的引力，所以从周围的星际空间吸取物质。被黑洞吸引过去的物质往往有角动量，所以不是直接掉到黑洞里，而是要旋转。这些物质之间有摩擦力，里面的物质要带动外面的物质。所以吸积物质逐步形成一个吸积盘。
在吸积盘内测靠近黑洞的地方，摩擦非常强，导致以X射线为主的电磁辐射。很多情况下，还有喷注产生。中子星也有吸积盘。但是因为中子星有表面，会导致它的吸积盘发出的X射线有一个特别的热成分，再考虑黑洞导致的X射线谱线的特征等等，可以将黑洞甄别出来。一个叫做MCG-6-30-15的星系中的超大质量黑洞就是这样找到的。
另外，引力波也提供了一个探测手段。2016至2017年，LIGO探测到了黑洞并合所产生的引力波。
Q6
黑洞既然不发出任何光，
为什么会有黑洞的照片？
这次研究M87星系中心的超大质量黑洞，事件视界望远镜（EHT）直接探测到这个黑洞附近的一圈明亮的光环。这是无线电波辐射。
这个明亮的光环所包围的区域叫做黑洞的阴影，半径大概是视界的2.6倍，其中中间部分就是视界包围的黑洞。
也就是说探测到的信号不是来自黑洞本身，而是来自黑洞周围。照片显示的就是这些无线电波辐射。
Q7
为什么以前的望远镜不能观测到光环？
以前望远镜的分辨率不够，无法直接探测到黑洞附近的这个光环，这就好比我们用分辨率低的普通望远镜看不到月球上的形貌。
虽然黑洞自身很大，但是距离我们非常遥远，所以在望远镜的视野里，黑洞的角尺寸很小。
事件视界望远镜采用了超长基线干涉（VLBI）技术，相当于一个孔径达到地球大小的大望远镜，分辨率与黑洞角尺寸相当，所以能够探测到这个无线电波光环。
Q8
事件视界望远镜的孔径是如何达到地球那么大的？
简单来说，就是将若干望远镜拼成一个虚拟的大望远镜。但是这些望远镜相距很远，做不到将它们接收到的电磁波真实地传到一起，所以只是将它们记录下的信息结合起来，使它们等效于一个大望远镜的信息。
天文学家首先要把不同地方的望远镜的时间同步，以便准确记录各个望远镜接收信号的实际时间。这个同步是由每个望远镜处的非常准确的氢原子钟和GPS实现的，这使得不同的望远镜即使相距很远，也很好地在时间上同步。
地球在自转，同一个望远镜在空间中的位置也在不断变化，因此在不同时间还充当了不同的望远镜。
不同望远镜接收信号的时间差抵消掉之后， 它们的信号整合在一起，就可以等效于孔径接近地球大小的望远镜。在信号的整合处理中，需要用到很多计算机处理技术，比如对不同数据进行校准以及分析数据之间的关联。
另外，即使算上地球自转导致的每个望远镜在不同时间所处的不同位置，它们仍然覆盖不了整个地球大小的面，这就需要计算机数据处理技术。
当然，在实际观测时，还需要每个望远镜所在地的天气足够好。
Q9
事件视界望远镜的这次探测取得了哪些成果？
这次事件视界望远镜观测的超大质量黑洞位于M87星系的中心，质量是太阳质量的65亿倍，距离我们5500万光年。
根据发表的论文来看，目前现有理论能很好地解释观测结果，而且通过观测数据与理论模拟的比较，确定了一些数据。超大质量黑洞周围有很多激烈的能量过程，比如活动星系核的很多行为就是通过超大质量黑洞解释的。所以这些观测数据对我们研究活动星系核中的物理过程和星系的演化，乃至其他相关的天体物理过程都有很大的意义。
Q10
这次探测获得了黑洞的哪些数据？
其实黑洞本身没有多少数据，就是几个物理量，主要是质量和代表转动快慢的角动量，理论上还有电荷，这叫“黑洞无发定理”。另外还有黑洞在宇宙中所处位置以及与我们的距离。这次观测改进了以前用其他方法估计的几个数据，包括黑洞的质量、相对于我们的距离和方位，也确定了这个黑洞是转动的，所以是克尔黑洞。这次还测量了光环的各种性质，比如直径、宽度、形状、方位，等等。
从广义相对论推论，因为引力作用，光距离黑洞中心大概是视界的2.6倍时，会形成环绕黑洞的光环，这次得到了证明。
既然探测到的是无线电波，而非可见光，那么我们看到的是真的照片吗？照片中的颜色是怎么来的？
通常我们的照片直接记录我们肉眼可见的景象，但是照相机的感光能力往往比肉眼强。照片实际上反映相机接收到的光的性质。与此类似，黑洞照片反映了无线电波的性质，虽然肉眼不能感知这些无线电波。
所以，如果定义照片必须显示肉眼可见的景象，黑洞照片就不是真实的照片；如果定义照片可以只是显示物体发出或反射的电磁波的性质，黑洞照片就是真实的。
但是颜色本来是我们能直接感知的可见光的性质，所以黑洞照片上的颜色基本上是人为的，是研究人员显示数据的一个方法。如果愿意，也可以将它标志成其他任何颜色。
但是事实上，他们选择的颜色非常好，用到了从红色到黄色的一段连续的颜色，而且用不同的颜色代表了不同的亮度温度。亮度温度是用亮度（能量流）和波长定义的一个物理量，差不多就是无线电波的真实温度。最黑的地方代表绝对零度，最亮的地方的温度大概是60亿度。
对于可见光的热辐射来说，比如煤或者铁发出的光，从红色到黄色对应着不同的温度。所以研究人员所做的，其实是将光环上真实的电磁波的温度分布情况对应到可见光的某种温度分布。所以，照片上的黑洞光环与蜂窝煤的类比并不荒唐，而是反映了温度分布的某种类似。
Q11
为什么照片里的光环下半边亮上半边暗？
这是因为相对论束流效应，也称多普勒束流效应。这里面有几个因素。一，光源向着观察者运动使得频率增加，这通常就叫多普勒效应。二，光源向着观察者运动使得光向运动方向聚集。以上两点在非相对论和相对论的情况都有。三，在相对论中，静止参照系中观测到运动物体的时间有膨胀效应。
相对论束流效应使得亮度温度依赖于光源的运动方向。如果光源向着观察者运动，亮度温度增加；如果光源离开观察者运动，亮度温度降低。
对于这个黑洞来说，辐射来自绕着黑洞转动的吸积盘，在我们看来，它是顺时针转动，而且转动轴有个从北向东170度的偏离。照片上，上北下南，左东右西。因此它下半边朝向我们运动，而上半边远离我们运动。这就导致光环的下半边亮，而上半边暗。
Q12
事件视界望远镜还观测什么目标？
事件视界望远镜另一个观测目标是位于银河系中心银河系中心的人马座A* 的超大质量黑洞，质量大概是太阳质量的430万倍，距离我们大约2.5万光年。这与M87中心的超大质量黑洞角度尺寸接近，因为角尺寸等于两倍的施瓦西半径除以距离，而施瓦西半径与质量成正比。
Q13
超大质量黑洞有什么特别之处？
顾名思义，超大质量黑洞的质量巨大，是太阳质量的几十万倍甚至更多。但是它们的密度却很小，比水的密度还小，因为衡量黑洞大小的施瓦兹半径与质量成正比，而体积与半径的立方成正比，所以密度反比于半径的平方，也就是反比于质量的平方！而且，与密度一样，物体在视界所受的潮汐力也反比于质量的平方，所以在那里所受的潮汐力与在地球上类似。
根据观测证据，绝大多数大星系的中心都有超大质量黑洞。它们对星际气体的吸积为包括类星体在内的活动星系核提供了能源。
这些超大质量黑洞很容易吞噬物质，从而不断增大自己的质量。所以如果在星系中心有一个黑洞，那么它就会不断吸积物质，被吞噬的物质又成为黑洞的一部分，以至于黑洞不断长大。那么最初作为种子的黑洞怎么来的呢？答案还不清楚。天文学家提出了若干假设，包括来自于几十或者几百倍太阳质量的恒星的爆炸，或者来自于恒星诞生之前的气体云的塌缩，乃至于来自宇宙极早期的原初黑洞，等等。人们认为类星体中有超大质量黑洞，而类星体很遥远，因此可能超大质量黑洞形成于宇宙早期。
感谢上海天文台许春的讨论。
参考文献：EHT collaboration, Focus on the first Horizon Telescope results, Astrophysical Journal Letter, 875, 2019, April 10.
重温一下这张照片，
向为此努力的科学家们致敬。
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