藝術家描繪的黑洞及黑洞周邊景象/NRAO，AUI，NSF
我們在下週可能會得到關於黑洞的第一張真實照片，事件視界望遠鏡（EHT）將在4月10日上午的新聞發佈會上展示預期中的超大質量黑洞圖像。這將是人類第一次真切地看到這一神秘天體，全球科學家以及天文愛好者都對此非常期待並興奮異常。
但是黑洞的圖像好像已經流傳很多年了，對吧？
各種雜誌、報刊經常在天文學科普及報道中配上所謂黑洞圖片，你可能已經對黑洞有了一個心目中的形象：黑色的球體、多彩的氣體螺旋環繞著它……
難道黑洞不是這個樣子的嗎？呃……它只是有可能是這樣的。
所有這些圖片都是基於物理學理論的藝術表達。所以插圖只是可能看起來很像，然而黑洞到底長什麼樣，天文學家實際上從來沒有作出任何確定，在沒有真正得到觀測圖像前，你就是在插圖中描繪出一頭大象，他們也不會表示反對。
不過我們很快就會知道真相，儘管它看起來可能不像我們期望的那樣。
這是由兩個主要因素造成的：首先，黑洞距離我們太遠，以至於EHT獲得的照片非常有可能比大多數藝術家表達出來的更加模糊。此外，愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，時空在黑洞附近將產生奇異的扭曲，而關於這一點，藝術家通常是無法理解的。
還有另一個原因，描繪黑洞的插圖本來就允許一定程度的自由發揮，因為很明顯：你看不到真實的黑洞。根據定義，黑洞是沒有光能逃逸出來的空間區域，沒有光意味著無圖無真相！而一個安靜的、沒有吸入氣體或其他物質的黑洞，確實是不可見的。
對於那些將巨量的物質當作零食在吃的黑洞，即所謂的活躍黑洞，想要看到它也不是一件簡單的事情。厚重的塵埃包裹在這些活躍的黑洞周圍，遮蓋了它們的外觀，雖然有些黑洞以噴流的方式發射出長達數千光年的巨量物質，但它們的核心被吸積盤深深地隱藏，這種迄今為止僅發現了少數的最炫酷神秘的天體被稱為類星體。
發射出相對論性噴流的活躍黑洞以及周圍的塵埃雲。NASA / SOFIA / Lynette Cook
許多太空插畫藝術家為了解決這些難題，同時還能讓觀眾體驗到某種審美感受，選擇了一種理想化的黑洞圖像，你可以將其視為黑洞樣板，它包含一些關鍵組成部分：
首先是黑洞本身，即黑洞圖片中心的球體或空洞，實際上它是一種極其缺乏定義的對象。這個由翹曲的熾熱氣體包圍的邊界，即黑洞的事件視界內，任何物質與信息都無法逃脫，這條邊緣所劃定的黑暗氣泡就是奇點。
此外有塵埃和氣體雲組成的吸積盤。當然並非所有黑洞都有這個，但如果我們想描繪出一個科學且真實的圖像，必須有一些東西來對比並襯托出黑洞。
吸積盤的形成方式與土星環的形成方式相同：黑洞引力引入的物質開始繞軌道運行，最終變平為一個很薄的盤面。物質以吸積盤的形式流向黑洞是很常見的，雖然我們常說黑洞吞噬周圍的一切，但實際上所有物質先被轉化為熾熱氣體，環繞黑洞旋轉，隨著時間的推移這些氣體物質將越過事件視界並一去不返，產生圖像中間的黑色“陰影”。
你可能還會看到黑洞發射出的兩條巨大光束，它垂直於吸積盤，被稱為相對論性噴流，這是由黑洞兩極噴出的過熱等離子體產生的現象。這種噴流是宇宙中已知最強大的天文現象之一。它們以接近光速被射出，並從黑洞延伸出數千光年。只有最大及最活躍的黑洞才會產生這樣的噴流，在某些情況下它們會非常壯觀，比如在某些類星體或星系中心的超大質量黑洞產生的噴流，可能比整個星系更明亮。
所以最終藝術家筆下的黑洞插圖形成一種樣板，標準配方通常是：黑色球體、發光的吸積盤，也許還有兩條噴流。
但這不能讓黑洞更真實地被描繪出來並展示在報刊雜誌上，為了更科學的展示現實的黑洞，它將被描繪的更加怪異。
好萊塢通過電影魔術為我們描繪出一個更科學的黑洞圖像
電影《星際穿越》中的黑洞“卡岡都亞”看起來與那些優雅的科普文章配圖中的黑洞圖像截然不同。這張照片是在理論物理學家基普·索恩（Kip Thorne）的幫助下完成的，它能更好地描述一個位於黑洞附近的人所看到的黑洞外觀，雖然它也不完美。
“卡岡都亞”展現出與眾不同的特點是因為在圖像中出現了兩個指環狀光環，而不僅是一個光環。這是由於黑洞附近極其強大的引力造成的，強大的引力使光線發生彎曲，實際上它只是一個吸積盤，由引力透鏡扭曲成兩個。來自遠方的背景吸積盤發出的光被扭曲並越過黑洞，在黑洞正面的上下方形成兩個光環。在這部電影中，圖像隨觀看到黑洞的角度而變化，視角越高於吸積盤平面光環越小，引力透鏡的效果越弱。
《星際穿越》中的黑洞還缺少一個重要考量，實際上導演諾蘭也知道這一點，但為了做出更易於理解的表現而不得選擇放棄這個表達。電影中顯示的黑洞被物質盤包圍，並且物質盤在高速圍繞黑洞旋轉，在這種情況下，因為氣體和塵埃運動得如此之快，以至於其外觀會被多普勒效應所改變，即引力紅移現象。因此從左到右旋轉的吸積盤在左側看起來會更亮，而在另一側則更暗和更紅。電影中的“卡岡都亞”兩側看起來同樣明亮，這是錯誤的。
1978年盧米涅手工繪製的黑洞插圖
1978年，一位名叫讓-皮埃爾·盧米涅（Jean-Pierre Luminet）的天體物理學家繪製出一幅非常準確的黑洞及吸積盤的插圖，該圖案基於他藉助早期的打卡式IBM計算機進行的計算。然後他參考結果數據，用筆和墨水將模擬的黑洞手工繪製到照相底片紙上，然後經過反轉，得到了上面的圖像。
比電影《星際穿越》中看到的黑洞更真實的渲染圖
根據多普勒效應，盧米涅繪製的黑洞左側是明亮的，右側是暗淡的，背後的吸積盤向上彎曲，底部幾乎完全看不見，被前面明亮的圓盤遮擋。這張圖片與索恩和他的同事在《星際穿越》上演後，為了更準確地描述“卡岡都亞”的樣子而發佈的圖片非常相似。
我們即將從EHT獲得的實際黑洞照片上看到的黑洞，看起來將不會像上面任何圖片一樣。一方面是因為實際照片的分辨率將會更糟糕，另一方面是因為他們將發佈兩個不同類型的黑洞照片：銀河系中心的人馬座A *和橢圓星系M87中心的超大質量黑洞。這兩個黑洞周圍的吸積盤大小、形狀、等離子體的溫度與旋轉速度、黑洞本身是否旋轉、視角以及更多因素可能使得它們看起來完全不同於我們所期望的那樣。
誰知道呢，也許他們會發現一些完全出乎意料的事情。畢竟，我們銀河系內可能潛伏著一頭大象。
閱讀更多 心繫宇宙天地寬 的文章
