作者 | 樂啊童
來源 | 圖靈教育（turingbooks）
審校 | 中國科學院國家天文臺研究員 苟利軍
如今，除了大明星們被曝光，還有誰能憑一張照片就上熱搜呢？你恐怕早就看見了這兩天的一條熱搜：首張黑洞照片面世！
你也許會問：“我之前看到的那些黑洞照片都是啥啊？！”假如你衝到天文學家的門前，投訴他們欺騙了你的感情，他們也許會說：“您別急，我之前也沒見過黑洞的真容。”沒錯，人們剛剛才看到了一張黑洞真正的照片。
1
你的名字是黑洞
1967年12月，約翰·惠勒在一場題為“我們的宇宙：已知與未知”的演講上講述了坍塌的恆星，他用《愛麗絲夢遊仙境》的故事打了個比喻：“（坍塌的恆星）像柴郡貓一樣消失了。貓只留下了它的笑。而恆星只留下了它的引力。有引力，但沒有光。無論是光還是其他粒子，都不再出現。而且，射入黑洞的光或粒子只會使其質量增加、引力增強。”
他在故事中偷偷用一個新術語替換了坍塌的恆星，那就是“黑洞”。“洞”就是“從曲面一側通往另一側的開口”，而“黑”則表達了它不發光的特點——沒有光線能從這口巨大的深井中逃出。所以，我們看不見黑洞。黑洞並不是黑的，正如宇宙大爆炸並不是“轟”的一聲巨響一樣。惠勒的這個形象的比喻很快走出了學術圈，成了藝術家們的“腦洞”。“陷入無盡深淵，墜入無邊的黑洞”，黑洞一詞也激起了大眾的恐慌和焦慮，被人們想象成去往另一個世界的通道。
然而，史料上第一次記載的“黑洞”（black hole）一詞與宇宙毫無關係。印度天體物理學家賈因特·納裡卡曾講過這樣一個故事：在古時候的印度，有一座名為威廉堡的要塞，裡面有一個又小又陰暗的房間，叫“加爾各答的黑洞”。這個房間長5米、寬4米，原本僅用於關押3名犯人。1757年，孟加拉地區發生了一次流血暴動。作為報復，該省的統治者殘忍地把146名白人俘虜關進了這間“加爾各答的黑洞”。當時正值盛夏，犯人被關押了整整10個小時，最終只有22人活著出來。當然，這個血淋淋的故事的真實性值得研究，但無論如何，它倒是展示了黑洞的一個特性——摧毀所有闖入的物質。
2
“宇宙監獄”
說白了，黑洞的確是一座監獄。
這座監獄的誕生可以源於一顆恆星的死亡。恆星的核心在自身引力的作用下劇烈坍縮，引發超新星爆炸。假如恆星核心的質量非常大，沒有什麼能阻止坍縮過程，就連中子也會被碾碎，於是就形成了質量極大、密度極大、引力極大的黑洞。
在監獄的中心是“奇點”，這裡的密度和熱量無限大，體積卻無限小，是吸入一切的魔窟。從中心到監獄大門之間空空如也，這段距離被稱為“史瓦西半徑”。而監獄的大門就是黑洞周圍的球面，稱為“事件視界”。
這座大門是怎麼打開的？你可以想象一條河連著一座瀑布，有人正在河裡游泳。河裡靠近瀑布的地方有一條看不見的分界線，人們只要不越過這條分界線，就不用擔心落入瀑布。然而，如果有人不小心穿過了這條線，即使他是游泳冠軍，也會被無情的水流推向瀑布。這條看不見的分界線在水流中並沒有被明確標識出來，這就是瀑布的“視界”。反過來想，“黑洞瀑布”的分界線就是它的視界。
這座監獄是靠什麼關押犯人的？是引力——其實引力也是這座監獄的犯人，只不過，它是唯一可以“露出身份”的犯人。至於其他犯人，它們可以是一切粒子，包括光。這些犯人就沒引力那麼幸運了，它們在被關押後，身上的所有隨身物品都被吞噬，這會讓引力越變越大。這座監獄只記得犯人們的質量、角動量和電荷。越獄？別想了。
總有人想探訪這座監獄，但你可能會頭朝著黑洞自由下落，這時，你的腳受到的引力比頭要小。你的身體被潮汐力拉長，而這個力會越來越大，最終，遠在到達監獄大門——“視界”之前，你就會在高空被潮汐力撕裂而死。唯有廣義相對論能躲開潮汐效應，帶你進入黑洞內部的“顛倒世界”：在黑洞裡，時空的性質被顛倒過來。黑洞裡的未來是有終點的，那裡就是黑洞中心的奇點。
3
引力波，黑洞的《婚禮進行曲》
在1915年，愛因斯坦希望將狹義相對論拓展到加速運動的情況，並納入引力的概念，由此得到了一個全新的理論，那就是廣義相對論。愛因斯坦不僅把它應用在一些受引力相互作用的物體（比如天體）之上，而且還延伸至整個宇宙。宇宙為什麼會膨脹？想究其根源，就要研究引力。可以說，引力才是宇宙演變的第一動力。
為了驗證愛因斯坦的廣義相對論，人們架起了激光干涉引力波天文臺（簡稱LIGO），為的是收聽一臺“廣播節目”——黑洞的婚禮。
黑洞有時候是個“雙黃蛋”，稱為雙黑洞系統，它要麼是一對大質量恆星演化的結果，要麼是兩個各自擁有一箇中心超大質量黑洞的星系的結合：兩個黑洞互相接近、“旋近”，然後“併合”，最後的那個黑洞清除了各種不規則性——百年好合！
黑洞運動的引力場隨時間變化，引力造成了時空彎曲，每時每刻都會反映質量分佈的變化和調整。這種調整猶如時空彎曲的“漣漪”，並以光速傳播，這就是引力波。如果我們能“捕捉”到這個漣漪，就能知道在遙遠的宇宙中，有一對黑洞新人在跳舞。
4
歡迎來“宇宙監獄”拍照留念
越獄、探監都不可能，連靠近都是尋死，你還能給黑洞拍照留念嗎？讓我們回到大家投訴的問題上：我們之前看到的那些黑洞照片，到底都是啥？
其實，從前的黑洞照片大多是想象圖，是科學家通過觀察和探測數據計算出來的。光無法從黑洞中逃逸，我們有時只能通過噴流和吸積盤“看到”黑洞（圖1）。在雙星軌道運動的離心力的作用下，其中一顆星吸來的物質不會直接落到其表面，而是環繞著它不斷累積，形成一個大致扁平的結構，叫作吸積盤。
圖1 吸積盤和噴流
你可能還見過黑洞打造的“魔戒”。在理想狀態下，地球（觀察者）、黑洞和星體（光源）恰好形成三點一線，星體的光被大質量黑洞遮擋，形成一個扭曲的像。愛因斯坦早就預言了這種效應，作為中間天體的黑洞扮演著類似經典光學中透鏡的角色，於是，人們稱之為“引力透鏡效應”（圖2）。
圖2 黑洞擋住背景中的星系產生了引力透鏡效應
在引力透鏡效應下，地球上的望遠鏡能捕捉到同一個光源形成的多個像，這些像全部集中在一個圓環上，形成了完美的光環，這就是“愛因斯坦環”（圖3）。這就是人們在非常接近黑洞視界、沒有吸積盤的區域看到的引力弧，我們可以用它來間接觀察黑洞。
圖3 引力透鏡中的愛因斯坦環
那麼，如今讓大家如此歡呼雀躍的黑洞照片，又是怎麼一回事？
與探測引力波的LIGO一樣，“事件視界望遠鏡”也不是一臺望遠鏡或一座天文臺而已。從10多年前開始，美國麻省理工學院的科學家們聯手全球科研人員，協調遍佈世界各地的已有的射電望遠鏡，在美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極建立了觀測陣列，模擬出了一臺“事件視界望遠鏡”，希望拍攝到黑洞的清晰圖像。
這臺有地球大小的“照相機”對準的正是距離我們地球2.6萬光年、位於銀河系中央的人馬座A*黑洞和距離5300萬光年的M87黑洞。然而，正如“照相機”的名字告訴我們的，這是一臺“事件視界望遠鏡”。為什麼這麼命名呢？
黑洞有著強大的引力，所以黑洞周圍的物質（吸積盤）所發出的光會在引力作用下圍繞黑洞的視界（監獄大門）形成一道光環。光環襯托出的剪影就是黑洞的輪廓，因此事件視界望遠鏡“拍”的其實僅是宇宙監獄的大門——事件視界，也可以說，照片裡其實是這座監獄的剪影。
對，這張“拍”了10多年、“沖洗”了2年的照片，最後只給我們看了黑洞的剪影……但這已經很不錯了，我們就知足吧。對了，別忘了說——“茄子”！
圖4 微笑的星系團。其實是哈勃天文望遠鏡拍攝的SDSS J1038+4849星系團，“微笑”的圓弧也是引力透鏡效應
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