黑洞:我们“看到的”和我们想象的


北京时间4月10日晚9时许,人类终于目睹了黑洞的“真容”。

这个黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。

这张珍贵的照片经历了30年的酝酿和2年多的“冲洗”,但相比人类发现与探索黑洞的历史相比,这仍只是弹指一瞬。

1783年,被誉为“有史以来最伟大的无名科学家之一”的英国地质和天文学家约翰·米歇尔(John Michell)根据牛顿在引力方面的研究推测:宇宙中可能存在质量足够大的物体,其逃逸速度大于光速。

他将这种概念中的星体称作“暗星”(dark star),也就是我们今天所说的黑洞。

1796年,法国科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯也在著作《世界系统》中表达了类似的观点,提出存在光都无法逃逸的天体,不过在他此后的著作中却再未出现过这一想法。


直到1915年,爱因斯坦在狭义相对论和四维时空几何基础上,提出真正“预见”黑洞的广义相对论,预测了时空曲率

1916年,一位名叫卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)的德国炮兵中尉在炮火连天的一战战壕中推导出广义相对论球对称引力场的严格解,他首先提出,在离致密天体或大质量天体的中心某一距离处,逃逸速度等于光速,即在此距离以内的任何物质和辐射都不能溢出。

这一距离被称为“史瓦西半径”。当物体的实际半径小于其史瓦西半径时,它就成为了黑洞。


太阳的史瓦西半径约为3千米,而地球的史瓦西半径只有约9毫米。

1935年,印度裔美国籍物理学家和天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)计算出了白矮星的最高质量,即钱德拉塞卡极限。

所谓“钱德拉塞卡极限”是指一颗白矮星能拥有的最大质量,任何超过这一质量的恒星将以中子星或黑洞的形式结束它们的命运。

1939年9月1日,就在第二次世界大战爆发同一天,美国物理学家罗伯特·奥本海默(Julius Robert Oppenheimer)发表了第一篇关于黑洞的学术论文,文中提出的“持续引力收缩”成为探索黑洞历史上的又一关键点。


奥本海默在论文中预测,恒星在其自身引力场的影响下会持续收缩,从而形成一个具有强烈吸引力的物体,甚至连光都不会从中逃脱,这是现代黑洞概念的第一个版本。

奥本海默推断,黑洞必定作为实体存在于我们周围的星空。

此时,“黑洞”这个词尚未出现,直到1967年,美国物理学家约翰·惠勒(John Archibald Wheeler)在一次会议上首次使用“黑洞”一词。

1970年,斯蒂芬·霍金定义了现代黑洞理论,并且描述了黑洞的最终命运。


就在同一年,美国的“自由”号人造卫星发现了与其他射线源不同的天鹅座X-1,位于天鹅座X-1上的是一个比太阳重30多倍的巨大蓝色星球,该星球被一个重约10个太阳的看不见的物体牵引着。天文学家一致认为这个物体就是黑洞,它就是人类发现的第一个黑洞。

1994年,哈勃空间望远镜提供了迄今为止隐藏在一些星系中心的超大质量黑洞的最佳证据。天文学家们利用哈勃望远镜在距离我们50万年远的巨椭圆星系M87中发现了星系中心超大质量黑洞存在的确切证据。

太空望远镜成像光谱仪(STIS)揭示了围绕这些星系核心的巨大轨道速度,表明在一个非常小的区域内有一个巨大的质量。

对黑洞严谨的科学研究更多的是公式与数字的推导,而人类对黑洞这种神秘天文学概念的想象可谓脑洞大开。

新兴科学概念的出现往往是科幻作品的最佳灵感来源,随着广义相对论的发展,关于黑洞的科幻作品也是层出不穷,甚至是在“黑洞”这个词出现之前。


The Sword of Rhiannon

1949年,被誉为“太空歌剧女王”的美国科幻女作家Leigh Brackett发表了奇幻小说《里亚农之剑》(The Sword of Rhiannon),这部关于古代火星文明的冒险故事中描述了通过“黑洞”穿越的概念。

1956年,世界科幻三巨头之一的亚瑟·克拉克的小说 《城市与群星》 (The City and the Stars)出版,书中的“黑太阳”被普遍认为即是“黑洞”。

美国元老级科幻作家波尔·安德森(Poul Anderson)1968年的短篇小说《Kyrie》中也描述过黑洞,安德森还提到了它的史瓦西半径,不过他使用的是“超新星核心”和“恒星的裸露心脏”这样的术语来指代黑洞本身。


A World Out of Time

二十世纪七十至八十年代,有关黑洞的科幻文学迎来了它的黄金期,杰里·波奈尔(Jerry Pournelle)的《他掉进了一个黑洞》(He Fell into a Dark Hole)、拉里·尼文(Larry Niven)的《A World Out of Time》、弗雷德里克·波尔(Frederik Pohl)的 《大门口》(Gateway)、Mildred Downey Broxon的《奇点》 (Singularity)、康妮·威利斯(Connie Willis)的《史瓦西半径》 (Schwarzschild Radius)、杰弗里·A·兰迪斯(Geoffrey A. Landis)的《Approaching Perimelasma》、格雷格·伊根(Greg Egan)的《The Planck Dive》等等科幻大师的经典作品纷纷面世。

The Forever War

这其中,通过黑洞穿越的类型科幻小说自成一派,例如乔·霍尔德曼(Joe Haldeman)的《千年战争》(The Forever War)、拉里·尼文的《奇点让我紧张》(Singularities Make Me Nervous)、乔治·兹包斯基(George Zebrowski)的《Fountain of Force》、Paul Preuss的《The Gates of Heaven》等等。

人们当然不会仅仅满足于用文字去想象黑洞,在视觉上呈现黑洞成为很多科学家、艺术家的目标。

卢米涅制作的黑洞第一张图片

1979年,法国天体物理学家让-皮埃尔·卢米涅创造了黑洞的第一个“形象”——一张用早期的计算机、大量数学运算和一点印度墨水制作的图片。


迪士尼电影《黑洞》

就在同一年,由迪士尼大手笔制作的电影《黑洞》在美国上映,这是神秘的黑洞第一次在大银幕亮相

在卢米涅的努力之后的十几年中,计算机技术迅猛的发展使得研究人员可以更加逼真的模拟黑洞。1989年,巴黎天文台的晚期天体物理学家让 - 阿兰·马克(Jean-Alain Marck)创作关于黑洞的首部动画短片。

让 - 阿兰·马克制作的短片截图

卢米涅在他后来的纪录片《无限弯曲》(Infinitely Curved)中使用了这部动画短片。


Blackstar

在电视银屏上,黑洞也很快成为节目中的热门元素。比如1981年的动画连续剧《黑星》(Blackstar)。


再比如1987年美国经典动画片《忍者神龟》(Teenage Mutant Ninja Turtles),大反派克朗的战斗堡垒(Technodrome)最终被困在了一个黑洞中。

经典纪录片中当然也少不了黑洞的身影,《旅行到宇宙的边缘》(Journey to theEdge of the Universe)中的黑洞是这样的:

《星际穿越》被誉为第一部准确描述黑洞的好莱坞影片,按照电影里的设定,这个黑洞可是根据广义相对论权威、诺贝尔物理学奖得主基普·索恩提供的计算结果数据建模渲染制作而成的。

《星际穿越》中的黑洞

如今我们第一次拍到了真正的黑洞照片,但人类距离揭晓黑洞的全部秘密还有很远,正如狄德罗所言,“视觉最肤浅”,真正的黑洞究竟还有那些秘密,还有待我们人类不断地探索!