黑洞什么样？终于有图有真相

本报记者赵觉珵　赵雨笙

编者按：10日，一个爆炸性的重大消息轰动了全球天文界——在全球多地同步发布了人类首次拍摄的黑洞照片。这个在科幻类影视作品和霍金等科学家的字典中高频出现的烧脑词汇到底是什么呢？首张将黑洞真身公之于众的照片又是怎么拍出来的呢？对于黑洞的研究真的可以帮助人类进行星际穿越吗？针对这些话题，《环球时报》记者10日采访了多位中国知名天文学家。

黑洞，是个“黑色的洞”吗？

时空中的无底深渊、深藏不露的引力陷阱……在史蒂芬·霍金的科学名著《时间简史》中，黑洞是宇宙中最为神秘的天体之一。但黑洞真的如字面含义就是一个“黑色的洞”吗？霍金曾在演讲中明确表示，“黑洞不是黑的”。那黑洞到底是什么样呢？

“首先，黑洞不是洞，它是一个球体”，北京大学地球与空间科学学院教授焦维新10日对《环球时报》记者解释称，黑洞是大型恒星衍变到后期的结果，经过膨胀、坍缩，其内部压力变得极为庞大，密度可以达到每立方厘米的质量几十亿吨，而且几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处。这样庞大的密度导致在黑洞周围的一定区域内，连光也无法逃逸出去，这个边界称为“事件视界”。而没有光，人类也就无法看见黑洞。

人类关注黑洞的历史可以追溯到18世纪末。在万有引力定律提出约百年后，英国科学家约翰·米歇尔在1783年首次提出，可能存在引力强大到连光线也无法逃离的“暗星”。1915年，爱因斯坦提出真正“预见”黑洞的广义相对论。20世纪60年代，美国天体物理学家约翰·惠勒首次将“黑洞”作为一个科学术语提出，此后，科学界不断收获关于黑洞的研究成果。

中国科学院国家天文台研究员陈学雷告诉《环球时报》记者，目前人们知道的黑洞有两种，一种是恒星级黑洞，另一种是超大质量黑洞，后者一般位于星系中心，最小的也相当于几十万或上百万个太阳的质量。此次被拍照的主要是两个黑洞：位于银河系中心的“人马座A*”黑洞；M87星系中心的黑洞。根据理论推算，银河系中恒星量级的黑洞有上千万个。天文学界认为，许多星系中央都有超大质量黑洞。▲

什么“神器”能给黑洞拍照？

数十年来始终神秘莫测的黑洞10日第一次展现在人们面前，其背后是全球200多名研究人员、8处大型天文望远镜阵列历时两年的努力。那能给黑洞这个巨大的家伙拍照的“神器”是个什么样子呢？

“事件视界望远镜”（EHT）并不是一个传统观念的观测平台，而是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列，包括8处独立的大型天文望远镜阵列。这些望远镜从南到北横跨7000公里左右，两者之间最远距离超过1万公里。科研人员利用这些分布在世界各地的天文望远镜，组成一台巨大的虚拟望远镜，其口径相当于地球直径，因此EHT也被称为“地球一样大的望远镜”。

中国科学院国家天文台研究员陈学雷对《环球时报》记者介绍称，EHT利用了射电甚长基线干涉（VLBI）技术，之所以需要多个望远镜合作，是为了增加望远镜之间的距离，从而增加角分辨率，以获得更强的解析力。EHT的多个望远镜之间由于距离够远，才能观测遥远的黑洞，这是任何一座望远镜或是一个国家的望远镜都无法完成的任务。

黑洞不发光，科学家们是怎么观测到它的呢？事实上，人们看到的并非是黑洞真正形象，图像中发光的部分是黑洞吸引下的气体。由于黑洞的存在以极端的方式影响着周围环境，让时空弯曲，并将周围的气体吸引进来，在此过程中，气体的引力能转化成热能，因此气体的温度变得很高，会发出强烈的辐射，得以让天文望远镜从遥远的地球观测到上述景象。陈学雷表示，科研人员无法看到黑洞，但通过给它在周围天体上投射的阴影拍照，从而得出黑洞的第一张照片。▲

影视作品中的黑洞更炫酷

很多人对于黑洞的直观印象基本都来自科幻电影等影视作品。而这些科幻作品中所诠释的黑洞其实大都不是太科学，但不可否认它们在普及黑洞这个天文概念中起到了非常重要的作用。

就黑洞而言，科幻小说作家和科幻电影编剧总能通过科学家对黑洞有限的认知理论构思出天马行空的脚本。比如美国早年拍摄的科幻电影《黑洞》《黑洞表面》等作品，普遍带有一定的暗黑色彩，重在渲染黑洞有着吞噬一切的可怕力量。

不过最接近学界对黑洞科学认知的是2015年上映的科幻电影《星际穿越》。由物理学家、诺贝尔奖获得者基普·索恩亲自参与设计的黑洞图像一度被认为是最接近真实黑洞的影像。该片导演诺兰曾经骄傲地表示，此前的科学家都未曾给黑洞和虫洞建过模，但《星际穿越》做到了这一点。片中的黑洞“卡冈图雅”周围被吸过去但逃脱一劫的光在黑洞的阴影附近展现出人意料的复杂特征图谱，而发光的吸积盘则在黑洞的上下方以及前方出现。

影片主角进入黑洞后发现自己置身于房屋书架后面，这种构思设计已经超越了大众所理解的四维空间范畴。▲

我们成为首批“看到”黑洞的人

在全球热切盼望中，全球多地同步发布了人类首张黑洞照片。

北京时间10日晚9时，在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京同步召开的新闻发布会上，人类拍摄到的第一张黑洞图像终于披露。此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，其距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。

照片中，在温暖而神秘的红色光环中间是一片深黑的无底洞。圆环的一侧亮一些，另一侧暗一些。专家强调，在图像中，光环的内边界也并不是黑洞的视界，真正的黑洞还在这片阴影之中。

与人们的预想相比，黑洞的真实影像似乎有些模糊。但中国科学院国家天文台研究员陈学雷对《环球时报》记者表示，“这样的成像已经相当不错了，毕竟距离地球那么遥远”。哈佛-史密森天体物理学中心的EHT项目主任谢泼德·杜勒曼表示，“我们已经取得了一代人以前认为不可能做到的事情。”

对于这张照片为何洗了两年才对外发布，苟利军表示，首先，望远镜观测到的数据量非常庞大。2017年时8个望远镜的数据量达到了10PB（10240TB），2018年又增加了格陵兰岛望远镜，数据量继续增加。庞大的数据量让数据处理的难度不断加大。其次，在数据处理过程中，科学家也遭遇了不少技术难题——黑洞附近的气体处于一种极端环境当中，其运动有着非常多的不确定性。

根据此前公布的消息，EHT项目主要观测的对象是银河系中心黑洞和M87星系中心黑洞，但此次发布会并未公布银河系黑洞图像。陈学雷告诉《环球时报》记者，根据其他国家研究人员透露的消息，银河系中心黑洞的照片还在处理中。由于该黑洞的体积较小，活动较多，处理起来更加复杂。

作为一个全球参与的重要项目，EHT也少不了中国科学家的贡献。中国科学院上海天文台台长沈志强表示，中国大陆共有16位科学家参与到EHT项目中，还有部分来自中国台湾地区的研究人员也参与其中。虽然位于中国的天文望远镜没有直接参与到此次观测中，但由中国联合运行的位于夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT）是EHT联合观测网络节点之一。此外，中方在EHT望远镜观测时间的申请、后期的数据处理和结果理论分析等方面都作出了贡献。▲

黑洞能否助人类星际穿越

黑洞这个让天文学家兴奋了近百年的烧脑概念，未来将会继续向何处发展呢？是否真有可能会如同一些科幻电影中出现的场景，在某种特殊条件下可以成为供人类进行星际穿越的神秘时空隧道呢？

中国科学院国家天文台研究员苟利军对《环球时报》记者表示，有一些物理学家认为黑洞可以充当星际空间旅行通道的作用，知名物理学家斯蒂芬·霍金曾说，在黑洞的最中心，是平行宇宙的另外一个入口。通过黑洞，可以快速到达在地球上看起来非常遥远的一个地方，或者另外一个平行宇宙。

陈学雷表示，即使是拍摄到了黑洞照片，人们对于黑洞的了解也仍然处于很初级的水平，距离人们想象中的“星际穿越”“时空旅行”可能还太过遥远，目前看来这些设想基本没有可能性。

尽管科学家们如此理性，但网友们关于黑洞的“脑洞”一直都没有关上过。在观看过有关黑洞的科幻电影后，很多网友都开始讨论“如果真的掉进黑洞，过程和看到的景象是《星际穿越》中所演的那样吗？”但一些天文学家认为，在人类和宇宙飞船进入黑洞前，就会被巨大的潮汐力撕碎。但BBC也曾报道称，科学家认为，在你落入黑洞的一瞬间，现实将会被一分为二。在其中一种场景中，你将瞬间化为灰烬，而在另一种场景下，你几乎毫发无损，并且这两种情形可能都是真实的。

或许高深莫测的黑洞真的会有奇妙作用，科学家们对于它的探索也在继续。EHT的参与方、德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯10日对媒体表示，未来会扩大阵列望远镜的数量规模，提高灵敏度和分辨率，继续观测两个黑洞在不同阶段的变化，甚至对新的黑洞进行观察，拍摄新的、质量更好的照片。▲