首張黑洞照片是怎么拍出來的？

電影《星際穿越》中，黑洞“卡岡圖雅”可能是許多人記憶里最震撼的一幕。

這部電影強(qiáng)烈建議在大熒幕上觀看，當(dāng)“卡岡圖雅”出現(xiàn)時，你會看到巨大的黑洞占據(jù)銀幕中央，周圍明亮的環(huán)帶快速旋轉(zhuǎn)，隨著主角的飛船越來越靠近，仿佛要落入宇宙中一個看不見底的深淵。

雖然電影進(jìn)行了藝術(shù)化呈現(xiàn)，但黑洞“卡岡圖雅”并非完全脫離物理基礎(chǔ)。它的視覺效果也源于真實(shí)的光線追蹤計算，是廣義相對論的一個直觀演示。

電影中“卡岡圖雅”所帶來的震撼感，歸根結(jié)底其實(shí)來自一些更普遍的問題：

* 現(xiàn)實(shí)世界中到底有沒有黑洞？

* 如果有，它又是什么樣的？

* 在沒有光的前提下，我們又憑什么相信它存在呢？

這些問題，是理解黑洞科學(xué)的入口，也是《不可抗拒的引力》（The Irresistible Attraction of Gravity）這本書里所講到的內(nèi)容。

書的作者是著名天體物理學(xué)家盧西亞諾·雷佐拉教授，他本身是研究致密天體的專家。

在書中他用通俗方式解釋了黑洞的核心結(jié)構(gòu)：事件視界、吸積盤、強(qiáng)引力效應(yīng)下彎曲的光線。讓讀者理解：黑洞的“外貌”其實(shí)來自物理過程，而不是藝術(shù)想象。

01

黑洞“真實(shí)”存在嗎？

今天我們談起黑洞，往往會把它當(dāng)作宇宙里本就應(yīng)該存在的天體。但在科學(xué)史上，它的存在其實(shí)經(jīng)歷了漫長的懷疑期，因?yàn)?strong>黑洞的概念最初不是來自觀測，而是來自數(shù)學(xué)。

1915年，愛因斯坦建立了廣義相對論，描述引力不是“拉力”，本質(zhì)是時空彎曲。一年后，史瓦西給出了第一個“黑洞解”，但當(dāng)時幾乎沒有人認(rèn)為這種解對應(yīng)真實(shí)的天體。即便是愛因斯坦本人也不相信黑洞會在宇宙中形成。

直到20世紀(jì)中葉之后，大量的觀測逐漸積累了一些“間接證據(jù)”，才讓科學(xué)家不得不重新審視黑洞存在的可能性：

比如超新星后的恒星坍縮無法被正常壓力支撐；某些雙星系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的X射線輻射，卻看不到發(fā)光天體；星系中心存在質(zhì)量異常巨大的“暗物體”，對周圍恒星產(chǎn)生強(qiáng)引力約束；以及2015年首次探測到引力波...

等等這些線索逐漸指向了黑洞是一個真實(shí)存在的天體。但仍有一個關(guān)鍵問題：黑洞不發(fā)光，人類無法直接看到它。

02

如何給黑洞“拍照”？

2019年，首張超大質(zhì)量黑洞照片橫空出世，這既是天文學(xué)史上的標(biāo)志性時刻，也提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。

不過需要注意的是，這張“照片”并非直接用相機(jī)拍出來的，而是來自不同望遠(yuǎn)鏡的“觀測結(jié)果圖像”。

那么拍出這張照片有多難呢？

首先要知道，黑洞自身不發(fā)光，我們拍的是其實(shí)是“被彎曲的光”。

因?yàn)楹诙磧?nèi)部完全黑暗，所以圖片上我們看到的亮環(huán)其實(shí)來自吸積盤中的高溫物質(zhì)發(fā)出的射電輻射。

同時黑洞產(chǎn)生的強(qiáng)引力效應(yīng)會使光線彎曲，此時周圍會形成一圈又一圈的光路，而在光路中間的“陰影”區(qū)域，也就是圖像中央的“暗洞”。

因此，黑洞圖像并不是“黑洞長這樣”，而是“在強(qiáng)引力場附近可觀測到的光分布長這樣”。

其次，由于地球沒有足夠大的望遠(yuǎn)鏡，所以只能造一個“虛擬望遠(yuǎn)鏡”去觀測黑洞。

而要分辨一個幾乎在銀河外的細(xì)小陰影，至少需要相當(dāng)于“地球大小”的望遠(yuǎn)鏡。人類無法制造這樣巨大的實(shí)體設(shè)備，于是就有了EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）項目。

EHT的辦法非常巧妙，它運(yùn)用了甚長基線干涉（VLBI）技術(shù)，也就是把全球不同地點(diǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡同步起來，讓它們像一個超大望遠(yuǎn)鏡一樣工作。

這樣一來，就能得到海量的觀測數(shù)據(jù)，然后就是龐大的數(shù)據(jù)處理工作，為避免人為偏差，EHT把數(shù)據(jù)交給多個團(tuán)隊分別處理，互相之間不交流，中間不允許看到對方的結(jié)果，確保得到的圖像是跨團(tuán)隊一致、可重復(fù)的結(jié)果。

最終呈現(xiàn)的黑洞照片雖然“模糊”，但它包含了很多有效信息：

* 黑洞的質(zhì)量可以推算；

* 不對稱性可以定出黑洞的自旋方向；

* 事件視界“陰影”的大小符合廣義相對論預(yù)測。

值得一提的是，盧西亞諾·雷佐拉教授也是EHT計劃領(lǐng)導(dǎo)者之一，他在《不可抗拒的引力》書里為我們揭開了首張黑洞照片的幕后故事。他重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：黑洞影像不僅是技術(shù)成就，也是對廣義相對論在強(qiáng)引力場區(qū)域的一次重要驗(yàn)證，更是一個科學(xué)意義遠(yuǎn)大于視覺意義的成就。

03

引力為何仍吸引我們？

回到更基礎(chǔ)的問題：為什么黑洞影像如此重要？

雷佐拉教授在書中給出的回答其實(shí)很簡單：黑洞把引力推到極限，而引力是理解宇宙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

書中反復(fù)強(qiáng)調(diào)一個關(guān)鍵點(diǎn)：引力不是傳統(tǒng)意義上的“力”，而是時空的幾何屬性。

舉個例子，我們知道行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，但其實(shí)并不是“被拉著轉(zhuǎn)”，而是行星在彎曲的時空里走最省力的路徑。

這也是廣義相對論重新定義“引力”的關(guān)鍵：它告訴我們，只要存在質(zhì)量，時空就會彎曲，而物體只是順著這張被拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)的時空膜自然前行。

而黑洞的意義就在于：它把時空彎曲放大到極端，讓我們能夠測試?yán)碚摰倪吔纭?/p>

對此雷佐拉教授在書里回顧了過去百年來的引力研究與歷史背景，其中黑洞是不可或缺的重要章節(jié)，讀完這本書，你會更理解二者之間的聯(lián)系。

作為一本了解引力、黑洞、引力波等概念的入門書，雷佐拉教授并沒有在書里放過多的公式，他的寫作特點(diǎn)是“把復(fù)雜過程拆解，但也保證準(zhǔn)確性”。

因此非常適合那些對宇宙問題有興趣、但未受過專業(yè)訓(xùn)練的讀者。

首張黑洞影像并不是終點(diǎn)，而是一個起點(diǎn)。隨著儀器升級、算法改進(jìn)、更多望遠(yuǎn)鏡加入EHT，我們可能會看到更清晰的黑洞圖像，也可能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。

書名：不可抗拒的引力

?♂? 作者：[意] 盧西亞諾·雷佐拉

翻譯：李歌星

出版社：湖南科學(xué)技術(shù)出版社·原力

內(nèi)容簡介

引力的謎團(tuán)已吸引人 類數(shù)百年。 但究竟什么是引力？它又是如何運(yùn)作的？這本引人入勝的書將帶你深入探索引力物理中奇異且常常反直覺的世界。跟隨著名天體物理學(xué)家盧西亞諾·雷佐拉教授，踏上這場虛擬旅程，走進(jìn)愛因斯坦的引力世界；每一座里程碑都將呈現(xiàn)引力更加迷人的面貌。通過輕松易懂的方式，你將逐步接觸時空彎曲、廣義相對論等概念，發(fā)現(xiàn)引力物理中最奇特的現(xiàn)象——黑洞、中子星和引力波。作者還講述了近年來最震撼的科學(xué)成就之一：首張超大質(zhì)量黑洞照片的問世。作為參與這一成果的關(guān)鍵科學(xué)家，雷佐拉將為你揭開這張照片背后的幕后故事，讓你了解物質(zhì)和光在黑洞附近究竟會發(fā)生什么。

一審：周洋

二審：李蓓

三審：孫桂均