揭開黑洞的神秘面紗

邱雨

2019年4月10日，是個將被栽入史冊的日子，在這一天，我們見證了人類歷史上第一張黑洞照片的誕生.至此.一個長久以來只存在于科學研究的公式和文學藝術作品的想象中的物體，終于被揭開了神秘的面紗，

對黑洞研究的歷程

黑洞的研究經歷了一個漫長的歷史過程.

1666年.英國科學家牛頓提出萬有引力定律，從此人類對物質世界有了嶄新的認識，也為對黑洞的研究提供了理論基礎.

1783年，英國天文學家米歇爾提出，可能存在質量比太陽更大的恒星，質量大到其逃逸速度超過光速.光都無法從這種恒星的引力中逃脫.并將其稱作“暗星”.

1795年.法國科學家拉普拉斯根據牛頓萬有引力理論計算出.如果物體的半徑被壓縮到足夠小.它的逃逸速度將超過光速.

1915年.愛因斯坦在狹義相對論和四維時空幾何基礎上.提出真正“預見”黑洞的廣義相對論.顛覆了人類對時空本質的認知.廣義相對論中有很多重要的預言，在當時都讓人難以置信.愛因斯坦列出了愛因斯坦場方程，可以直接推導出某些大質量恒星會終結為一個黑洞——時空中的某些區域發生極度的扭曲，以至于連光都無法逸出，但愛因斯坦場方程在最初發布時只有近似解.20天后.一位名叫史瓦西的炮兵中尉在炮火連天的德軍東線陣地給出了這個方程的精確解，解決了這項世界級物理難題.

而后的幾十年內.我們所熟知的科學家霍金對這個解進行了探索，他在愛因斯坦的廣義相對論基礎上.又引入了量子場論，通過量子場論的分析，霍金對黑洞的性質有了更加詳細的描述.他提出了“黑洞是時空的扭曲者”的觀點.

什么是黑洞

黑洞是在宇宙空間中存在的一種天體，它有三個重要特性——質量足夠大.體積足夠小.光無法從中逃脫.

在本刊2019年第6期《看封面》欄目《恒星故事》一文中我們對恒星做了詳細介紹，在宇宙中，恒星并不能永恒存在，它也會面臨死亡的時刻.當某些質量是太陽的幾倍到幾十倍的大質量恒星由于燃燒殆盡面臨死亡時，恒星本身就會迅速向內部塌陷，大質量恒星在坍縮過程中，大量物質開始向中心匯聚，伴隨著坍縮過程的加劇，大量粒子被壓縮在一起，電子和質子碰撞，就會發生爆炸.形成不帶電荷的中子，

如果這個恒星質量不是特別大，那么至此它就徹底步入死亡，但如果這個恒星質量特別大，向內擠壓的過程持續下去，中子會被擠壓、變形，然后粉碎，變成目前我們所知道的最小物質——夸克，這個過程繼續持續下去，死亡的恒星就會在質量不變的基礎上.體積持續變小.當恒星的體積坍縮到足夠小時.黑洞就誕生了.

根據科學家推斷，一顆太陽大小的恒星，如果坍縮成黑洞，大概只有一個乒乓球那么大.不過，由于太陽的質量太小，它最終無法變成黑洞.

黑洞與時空

黑洞最令人著迷的地方，就是它具有扭曲時空的能力，根據現代物理學理論.一個擁有大質量的物體會造成周圍時空彎曲.黑洞就是這樣的物體.黑洞的外界有一個稱為“視界”的圓圈，任何物體（包括速度最快的光）一旦進入視界范圍內，就再也逃離不了黑洞，最終它的結局一定是撞到黑洞的中心點——“奇點”.假如一個物體勻速向黑洞中心移動，外界觀察物體移動的過程.就會發現物體移動的速度越來越慢，最終當物體接近“奇點”的時候.外界就會發現它靜止不動了.即當物體接近黑洞的時候，時間會變慢，這就是引力造成的時間變慢效應.

如果有幸能進入黑洞內部.將能體驗到時空交換.黑洞之外（也包括我們目前所在的空間），時間是單向的，即我們只能隨著時間的流逝走向未來.卻不能逆著時間的軌跡回到過去：但空間是雙向的，即我們可以向前運動，也可以往后運動.但是進入黑洞后，時空將發生互換.在這里，時間就變成雙向的，我們既可以走向未來，也可以回到過去;但空間是單向的，我們不能往后走，只能向“奇點”靠近.這種奇妙的景象是難以用語言文字確切描述的，

來之不易的黑漏照片

近百年來，科學家們一直努力搜尋黑洞的蹤影.但是它就像一個傳說，人人都聽說過卻未曾有人親眼看到過，黑洞是否真的存在，始終是個謎.直到2019年4月10日，人們終于捕捉到黑洞的影像.

為了完成這個目標.科學家們通過協調全球多地的8個亞毫米射電望遠鏡.構建了一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠鏡，向銀河系中心和位于星系M87中心的兩個黑洞目標展開觀測活動，這就是“事件視界望遠鏡”項目.

給黑洞拍照的難度極高.需要獲取大量的樣本數據.8個射電望遠鏡的位置隨著地球自轉而改變.給了科學家們從不同角度獲取樣本的機會，但僅靠這些還遠遠不夠，另外還需要特定的算法來生成圖片.去填滿未能獲取樣本的地方，最終模擬出黑洞圖片.為了保證8個望遠鏡都能在最高的靈敏度和最大的空間分辨率條件下觀測這兩個黑洞.每年僅有10天處于符合的觀測時間段.在每一個觀測中心，科學家們都會利用原子鐘協調觀測時間.對每一個電磁波到達的時間進行分別標定和存盤.以便觀測結束之后進行整合.

黑洞照片“拍”起來難.“洗”出來更難.據悉.2017年4月份的5個觀測日中.8個天文臺站在5天觀測期間共記錄約3 500 TB數據，每個臺站的數據率達到驚人的32 G/s.面對如此龐大的數據量，從拍攝完成，并完成所有圖片數據的分析、整合，到最終的發布，科學家們用了2年時間.其間他們不斷探索最合理的算法，同時為了確保結果的準確性，需要不同的團隊分別計算.再找到統一的答案.

感謝200多位科學家的共同努力，才揭開了黑洞的神秘面紗，讓我們看到了第一張黑洞照片.黑洞的順利成像.并非“事件視界望遠鏡”項目的終點.而是代表著一個新的起點.我們完全有理由相信.在不久的將來，我們會看到更多更清晰的黑洞照片，進而在宇宙探索的路上邁上新征程，

責任編輯 林洋