跟紧！人类首张黑洞照片，浙工大天体物理专家带你一起看！

▌北京时间4月10日晚9时，视界望远镜EHT震撼发布人类历史上首张黑洞照片，掀开了这种宇宙超级怪兽的百年神秘面纱，引起社会广泛讨论。这是史上第一张黑洞照片。该黑洞位于室女座星系团中超大质量星系Messier87中心，距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。为此，小编邀请了浙江工业大学理学院理论物理与宇宙学研究所张少君等老师用通俗易懂的语言为大家作深入解读。

EHT黑洞照片

为了使大家能更好的欣赏照片

让我们来快速了解一下

这种宇宙超级怪兽的前世今生

黑洞：爱因斯坦的超级怪兽

作为二十世纪物理学的两大成就之一，爱因斯坦的广义相对论早在100多年前就预言了宇宙中存在一种极端致密天体：黑洞。

电影《星际穿越》中的黑洞—卡冈都亚，质量为1亿个太阳质量。中间深不可测的黑洞区域被外围明亮的吸积盘包围着。（图片来自电影《星际穿越》）

而其实，在爱因斯坦之前100多年，1783年英国地理学家约翰﹒米歇尔（John Michell）就预言了类似天体的存在。根据牛顿的万有引力理论，火箭想要逃离天体，必须具备足够大的速度—逃逸速度（即宇宙第二速度）。当天体大小不变时，质量越大，天体的引力越强，火箭需要的逃逸速度越大；当天体的质量足够大超过某个临界值时，逃逸速度将超过光速，神奇的事情就发生了：即使连光都无法逃离，任何从天体表面发出的光线最终都会被强大的引力拉回。此时，在远处观察的我们的眼中，天体变成宇宙中一块漆黑的区域，称为暗星（顾名思义）。黑洞与暗星类似，但比暗星更加奇特。想要完全准确的理解黑洞，需要爱因斯坦的广义相对论。

简单来说，黑洞周围存在一个势力半径，在势力半径范围内，黑洞的引力足够强大，任何物体即使是光，一旦进入这个势力半径就彷佛掉进了无底深渊，将会一去不复返。这个势力半径即称为视界（视界望远镜的名字即来源于此），顾名思义，就是我们视线能达到的地方。而视界以内的区域发生了什么，我们完全无法看到，那里是宇宙中的黑暗区域（但是没有黑恶势力）。

黑洞艺术图像。中间黑色区域即黑洞，被外部视界(event horizon)包围，其中心为奇点(singularity)。（图片来源：eventhorizontelescope.org）

黑洞的引力如此强大，导致黑洞在自身引力作用下不可避免的塌缩，没有任何其它已知的力（比如电子与电子之间、夸克与夸克之间的排斥力）能阻挡这种塌缩。最终，组成黑洞的所有物质都坍缩到中心点。中心点的物质密度会变得无穷大，变成所谓的奇点。而奇点处的物理已经超越了当前物理学能理解的范畴。

此处，划重点：黑洞是宇宙中的黑暗区域，被视界包围着，中心有一个奇点。

我看不到它，但我确信它就在那里

什么样的天体会演化成黑洞呢？黑洞这么奇特，它真的存在吗？

天体要变成黑洞，必须有足够大的密度，即在足够小的体积内具有足够大的质量。

拿我们熟悉的太阳打个比方，太阳的质量大约是地球的33万倍，体积大约是地球的130万倍。如果将太阳压缩到半径3公里以内，太阳将变成黑洞，其视界半径为3公里。这是什么概念？就是把太阳压缩后放在屏峰校区到西溪印象城之间，这是多么惊人的密度，就问你害怕不害怕。而实际上，并没有谁能去干压缩太阳这件事情（太阳神阿波罗也不行，他只会浪）。太阳只能靠自身的引力进行塌缩，而太阳质量不够大，不足以将自己塌缩成这么小，因此无法变成一个黑洞。

根据广义相对论的研究，天体的质量至少要达到约3倍太阳质量，才能塌缩成一个黑洞。但是，宇宙中存在着很多超级天体，它们的质量能达到太阳质量的几百万倍甚至几十亿倍。实际上，此次视界望远镜所拍的两个黑洞的质量分别是太阳质量的400万倍和60亿倍。这样的超级怪兽如此之重，最终其骨架将无法承受自身重量，悲惨的塌缩成一个黑洞。因此，可以说黑洞是这些超级天体的宿命。

天体演化路线图。大质量天体最终演化为黑洞。（图片来源：google）

根据理论估计，银河系中遍布着成千上万的这种超级怪兽。而整个宇宙中的超级怪兽更数不胜数。因为复杂的计算和观测，到目前为止，能确认的黑洞只有20多个。但这已经足够说明爱因斯坦理论预言的正确性。

我这么黑，怎么拍照啊？

既然黑洞这么黑，那么视界望远镜是怎样给它拍照的呢？

黑洞周围通常存在着其它天体尤其是恒星。当其它恒星离黑洞较近时，黑洞靠自己超强的引力，夺人所爱，强行将恒星的气体吸到自己周围，形成一个围绕自己旋转的气体盘，即吸积盘 （体会一下一个胃口超大的家伙和你聚餐时的情形）。

黑洞从伴星(donor star)吸取气体产生吸积盘(accretion disk)和喷流(jet)。（图片来源：google）

其中一部分气体在吸积过程中，在黑洞磁场的作用下，沿着旋转方向被抛射出去，形成喷流现象。吸积盘和喷流中的气体因为高速运动互相摩擦产生明亮的光，从而能被视界望远镜捕捉到。

而通过吸积作用，黑洞甚至会将旁边的整个恒星吃掉，从而变得越来越大。黑洞这种怪兽堪称宇宙中的超级捕食者。所以，如果太阳系旁边有一个黑洞，我们只能自求多福了。

黑洞照片有啥看头？

黑洞照片除了惊艳一把，还有什么意义呢？至少有三个方面：

第一、继引力波之后，再一次证实爱因斯坦引力理论的正确性。广义相对论作为人类理性思维的巅峰，再一次得到实验的证明，将极大的鼓舞我们“人定胜天”。跟着爱因斯坦走，跟着科学走，这条路没有错，我们不再迷茫；

第二、通过黑洞照片将有望检验广义相对论预言的其它效应，比如引力红移效应；

第三、通过黑洞照片，我们可以看到壮观的宇宙现象，检验黑洞吸积和喷流对星系演化的影响，从而有望回答宇宙生命的起源。

当然，也可以将照片挂在床头，时时对着照片在宇宙中做思想的翱翔，感受人类的伟大与渺小，思考人生的意义。

工大也有一群宇宙与黑洞的探索者

实际上，就在咱浙工大理学院，也有一群致力于探索黑洞与宇宙奥秘的研究者。

来自五湖四海（局限于地球）的成员组成了理论物理与宇宙学研究所，其中有10位老师，包括4位教授，同时有5位博士后，其中4位外国博士后。研究方向涵盖理论物理众多领域，包括修正引力理论、圈量子宇宙学、引力波天文学、黑洞物理学等。

研究所是“金砖五国”引力天体物理和宇宙学联合中心的倡议者和创始者。目前主持国家自然科学基金数项，每年在国际主流学术期刊上发表SCI论文20来篇。每年邀请国内外知名学者来访数十人。在国内外享有一定的声望与知名度。在所长王安忠教授（美国贝勒大学教授）的带领下，研究所将致力于探索宇宙与时空的终极奥秘。

理学院天文协会观星活动现场

当然，如果你对宇宙或黑洞的奥秘感兴趣，可以到理学院理论物理与宇宙学研究所坐坐，一起聊聊宇宙和黑洞的奇闻异事。  

关于黑洞，你有什么想说的？

快来留言区告诉我们吧！

来源 / 浙江工业大学理学院

理论物理与宇宙学研究所

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