北京時間2019年4月10日21時，我國的上海、臺北以及世界其他5個城市的天文學家同時召開了發(fā)布會，邀請全世界人共同見證人類歷史上的一次盛事——世界上第一張黑洞照片問世。

你可能會納悶：黑洞不是黑的嗎？怎么還能拍照片呢？今天，咱們就來聊聊這個問題。

黑洞

1915年的時候，偉大的物理學家愛因斯坦提出了著名的廣義相對論，震驚了世界，也改變了我們對宇宙和引力的認知。

1916年，德國天體物理學家卡爾·史瓦西就根據場方程計算出一個真空解。這個真空解暗示我們，宇宙中可能存在一種非常神秘的天體，它沒有體積，而是會把所有的物質擠壓在一個點內。因此，這個點具有無限大的密度以及無限大的時空曲率。因為這個點十分詭異奇怪，因此被稱為奇點。

由于密度如此之大，它的引力也大得驚人，以至于附近的區(qū)域連宇宙中最快的光也無法逃脫，最終被它吞噬。這就導致我們無法直接觀測到它，后來物理學家惠勒給這種天體起了一個非常形象的名字——黑洞。

（圖片說明：黑洞吞噬天體的示意圖）

當然，黑洞也不是能夠吸引全宇宙的光。我們知道，引力和二者之間的距離的平方成正比，對于黑洞來說，只能夠吞噬周圍一定范圍內的光，而這個范圍也與黑洞質量相關。史瓦西同樣計算了這個數據，這就是黑洞的史瓦西半徑。恰好能夠讓光處于被吞噬和不被吞噬的臨界點，叫做黑洞的事件地平線，內部就是它的事件視界。

觀測黑洞

那么問題來了，既然黑洞連光都能吞噬，天文學家要如何給黑洞拍攝照片？

實際上，就目前已知的理論而言，天文學家不可能拍攝到事件視界以內的任何圖像。好在，即使不拍攝這里的區(qū)域，仍然對我們有重要意義。

（圖片說明：黑洞藝術圖）

當物質被黑洞吞噬時，它們會旋轉著加速向黑洞下落，就像是你打開水槽的塞子后水會旋轉著涌入下水道一樣，這就是黑洞的吸積盤。在這個過程中，物質的能量會大幅增加，從而發(fā)出輻射，變得極其明亮，而這個明亮的吸積盤，正是天文學家們了解黑洞的重要手段。

即便如此，想要觀測一個黑洞，難度仍然是非常大的，對于人類目前的每一個觀測設備來說都是不可能完成的任務，它們的口徑都太小了。

于是，甚長基線干涉技術迎來了它發(fā)揮的舞臺。通過分布于世界不同角落的八臺望遠鏡，天文學家們將它們等效成了一個直徑和地球一樣大的虛擬望遠鏡，這就是事件視界望遠鏡。憑借著這臺強大的虛擬望遠鏡，我們終于可以在可見光以外的波段拍攝黑洞的吸積盤，了解這種神秘的天體。

（圖片說明：歷史上第一張黑洞照片）

歷史上第一張被人類拍照的黑洞，是一個距離我們5500萬光年的超大質量黑洞，它位于M87星系的中心，因此被稱為M87*。天文學家指出：這個黑洞的質量是太陽的65億倍，體積是太陽的680萬倍，絕對是宇宙中的怪獸。

就在2021年3月24日，天文學家們又公布了事件視界望遠鏡的最新成果，那就是偏振光下的黑洞照片。乍看之下，這張圖片和上一次好像有點類似，而且都是來自于M87*。那么，這兩次照片到底有什么區(qū)別呢？其中蘊含著怎樣的秘密呢？

（圖片說明：3月24日發(fā)布的黑洞照片）

首先我們要知道，什么是偏振光呢？

我們知道，X射線和電磁波都屬于橫波。所謂的橫波，指的是在向前傳播的同時，還會向左右、上下、斜上下等各個方向振動。但是，如果進行某種方向上的遮擋或者是其他干擾因素，那么某些特定方向上的電磁波就會被攔住，導致傳到觀測者眼里的只有特定方向上的電磁波，這就是偏振。

（圖片說明：電磁波屬于橫波）

偏振的應用相信大家都有體驗，那就是電影院里的3D電影，就是用兩種偏振光拍攝，然后利用3D眼鏡上兩個只能接受特定方向偏振光的鏡片，就能看到3D效果了。

按說黑洞的吸積盤所釋放出來的光，原本應該是各個方向上都有的?？蛇@一次拍攝的照片顯示，它居然是偏振的。這意味著，一定有什么機制把其他方向上的X射線給屏蔽了。天文學家的研究結果表明，導致這個現象的原因，就是黑洞的磁場。

正如科羅拉多大學博爾德分校的天文學家Jason Dexter指出的那樣：“觀測結果告訴我們，黑洞的邊緣擁有著恐怖的磁場，當高溫氣體被引力拉扯的時候，它能夠通過推力將這些氣體反推出去，只有通過了黑洞磁場的氣體才能打著轉進入到事件地平線?！?/section>

（圖片說明：黑洞的相對論性噴流）

通過這次照片，天文學家們確認了黑洞磁場的一些特性，而這對于我們理解黑洞的相對論性噴流具有重要意義。據觀測，黑洞在吞噬物質的同時，還會從兩極釋放出強大的等離子體束，其速度甚至接近光速，因此稱為相對論性噴流。比如M87*的噴流，就高達光速的99%。

長期以來，天文學家們一直認為這些噴流來自于黑洞的恐怖磁場，但苦于沒有實際的觀測證據。而這一次的黑洞照片，證實了天文學家們的猜想，對我們理解黑洞有著重要的意義。

未來，事件視界望遠鏡還將繼續(xù)工作，實際上該項目組每年都會進行聯合工作，致力于拍攝更多黑洞的照片。我們也期待天文學家拍攝到我們銀河系內的超大質量黑洞——人馬座A*。畢竟對于我們自己的星系來說，有更多秘密值得我們去探索。

（友情提示：這張由錢德拉和南非MeerKAT望遠鏡拍攝的銀河系中心照片適合橫屏放大看！）

在觀測黑洞方面，可見光以外的電磁波波段是一種非常有效的工具。比如事件視界望遠鏡項目中，利用的就是亞毫米波波段。除此之外，X射線波段也是研究黑洞以及其他天體的重要工具。1999年的時候，NASA還發(fā)射了著名的錢德拉X射線天文臺，通過太空中的X射線望遠鏡了解宇宙天體的大量秘密。

（圖片說明：2009時NASA發(fā)布的一張銀河系中心圖像）

錢德拉升空10周年的時候，NASA就用如此壯觀的圖像為它慶生。而在2019年錢德拉升空20周年之際，NASA更是推出了力作——由美國史密森學會出版的《NASA深空探索》，展示了錢德拉的偉大成就。

本書一共收錄了超過140幅美國宇航局最為經典的星空圖片，還有創(chuàng)生之柱等更加蔚為壯觀的宇宙圖片，并詳細地介紹了每一張圖的拍攝方式和構圖原理。很多人看到宇宙的圖片時只能簡單地說“美”，但有了這本書后，你看天文美圖將能夠看到其中的天文學原理，不再迷茫！

（圖片說明：壯麗的創(chuàng)生之柱）

（圖片說明：創(chuàng)生之柱3D圖像）

本書由南京紫金山天文臺的蔣云副研究員以及陳維助理研究員合力翻譯，用生動樸實的語言帶你理解原本深奧的太空知識?，F在購買還有大力折扣，趕快入手，我們一起征服星辰大海！

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