人類首張黑洞照片面世！

圖片來(lái)源：事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織

天文學(xué)家捕獲首張黑洞照片！4月10日21點(diǎn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項(xiàng)目主任謝潑德.多爾曼在中國(guó)上海向全球宣布。

據(jù)介紹，此次發(fā)布的黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系 M87中心的黑洞，其距離地球 5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的 65 億倍。該圖像的許多特征與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言完全相一致，在強(qiáng)引力極端環(huán)境下進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。通過(guò)研究這個(gè)圖像，人類將揭示出黑洞這類天體更多本質(zhì)。

事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目合作由13個(gè)合作機(jī)構(gòu)組成，中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)共同建立，其中上海天文臺(tái)牽頭組織協(xié)調(diào)國(guó)內(nèi)學(xué)者參與了此次合作。

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黑洞其實(shí)不太黑？

洞也不是那個(gè)洞？

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01對(duì)黑洞的預(yù)言可追溯到200多年前

黑洞是一類特殊的天體，其附近的引力很強(qiáng)，強(qiáng)到表面上的光也會(huì)被吸引得輻射不出來(lái)，這個(gè)表面就稱為黑洞的視界面。

黑洞這樣的天體的存在可能性，理論上很早就預(yù)言了，John Michell 在1784年11月就預(yù)言了由于引力導(dǎo)致的逃逸速度達(dá)到光速時(shí)，天體發(fā)的光就輻射不出來(lái)，使得天體不能被看到，而只能通過(guò)引力感受到的可能性，其計(jì)算基于光的微粒假說(shuō)和牛頓的萬(wàn)有引力，后來(lái)隨著光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)被證實(shí)，關(guān)于這種暗天體的討論就沉寂了下去。 

直到1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論作為新的萬(wàn)有引力理論，取代了牛頓對(duì)引力的描述，成為現(xiàn)代的引力理論。1919年施瓦西發(fā)現(xiàn)第一個(gè)廣義相對(duì)論的解析解，從中可以推測(cè)出有視界的存在證據(jù)，這種有視界存在的解被稱為黑洞解，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了帶電和旋轉(zhuǎn)的黑洞解，其視界結(jié)構(gòu)比施瓦西黑洞更復(fù)雜，但這些都是理論推測(cè)。

2015年，LIGO激光干涉引力波天文臺(tái)第一次探測(cè)到兩個(gè)黑洞并和的引力波訊號(hào)，證實(shí)了黑洞的存在。人類第一次觀測(cè)到的引力波就是兩個(gè)黑洞并和導(dǎo)致的，從此人類對(duì)于宇宙空間的觀測(cè)在電磁波之外多了一個(gè)信道，開(kāi)始了引力波天文學(xué)時(shí)代。

黑洞研究對(duì)于天文學(xué)意義重大，超大質(zhì)量黑洞普遍認(rèn)為是星系中心引力坍縮導(dǎo)致的，在活躍期間，稱為活動(dòng)星系核，關(guān)于活動(dòng)星系核的觀測(cè)以及對(duì)于物質(zhì)吸入黑洞的吸積過(guò)程的理解，構(gòu)成了天文學(xué)研究的重要組成。黑洞輻射和黑洞熵的研究則為引力量子理論研究提供了研究平臺(tái)，黑洞信息丟失與火墻理論則使得量子信息的研究更加深入。

02黑洞如何形成：都是引力惹的禍

黑洞如何形成的呢？

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陸由俊對(duì)記者說(shuō)：“目前比較明確的是恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞是恒星塌縮的遺骸；而大質(zhì)量黑洞則有可能由其它機(jī)制產(chǎn)生的中等質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)長(zhǎng)大而成。

所有的恒星都是核聚變反應(yīng)爐，在其中，輕元素（主要是氫）聚合成重元素。核聚變過(guò)程提供了恒星一生的大部分能量。不過(guò)，最終，核燃料耗盡，由中心產(chǎn)生的能量再也無(wú)力對(duì)抗外殼巨大的重量，引力開(kāi)始起主宰作用。

1928年，印度研究生薩拉·瑪尼安·錢德拉塞卡乘船來(lái)英國(guó)劍橋?qū)W習(xí)天文學(xué)。在來(lái)英途中，錢德拉塞卡算出在耗盡所有燃料之后，多大的恒星可以繼續(xù)對(duì)抗自己的引力而維持自己——這就是所謂的“錢德拉塞卡極限”，約為1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量。

陸由俊解釋說(shuō)：“這一值對(duì)大質(zhì)量恒星的最終歸宿具有重大意義。一般來(lái)說(shuō)，如果一顆恒星的質(zhì)量不到太陽(yáng)質(zhì)量的9倍，最終會(huì)形成白矮星；9-25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量左右的恒星會(huì)演化至超新星爆發(fā)，再最后塌縮為中子星；而約25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之上的恒星會(huì)形成黑洞。”

當(dāng)這一恒星收縮到某一臨界半徑（“史瓦西半徑”，以德國(guó)物理學(xué)家、天文學(xué)家卡爾·史瓦西的名字命名，他是使用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論方程證明黑洞的確能夠形成的第一人）時(shí)，其表面上的引力變得如此之強(qiáng)，以至于光線再也逃逸不出去。

根據(jù)相對(duì)論，沒(méi)有東西能行進(jìn)得比光還快。如果光都逃逸不出來(lái)，其他東西更不可能：所有東西都會(huì)被引力場(chǎng)拉回去。這樣，就出現(xiàn)了一個(gè)事件的集合或時(shí)空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者——我們將這一區(qū)域稱謂黑洞，將其邊界稱作事件視界。

03黑洞都是來(lái)者不拒？有些很“挑食”

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)4月6日?qǐng)?bào)道，一些黑洞是貪婪的貪食者，吸入大量氣體和灰塵；而其他黑洞則很挑食。

比如，此次EHT任務(wù)的主要目標(biāo)，位于銀河系中央的“人馬座A*”似乎就很挑食，盡管其質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，但它的吸積盤卻出人意料地暗淡。吸積盤由氣體、彌散物質(zhì)等組成，圍繞黑洞或中子星轉(zhuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去，就像一個(gè)扁平的盤子。

而此次EHT觀察的另一個(gè)目標(biāo)，即M87星系中的黑洞，則是一個(gè)貪婪的食客，其質(zhì)量介于35億至72.2億太陽(yáng)質(zhì)量之間。它不僅擁有一個(gè)非常明亮的吸積盤，而且，它還噴射出明亮、快速的帶電亞原子粒子流，這一粒子流延伸約5000光年。

同樣是超大質(zhì)量黑洞，為什么“貪吃”的程度差別如此巨大？這一問(wèn)題一直以來(lái)都是困擾天體物理學(xué)家的難題。

陸由俊解釋說(shuō)：“原因是不同星系核心的環(huán)境不一樣。有的星系的中心由于受到諸如星系碰撞過(guò)程等的擾動(dòng)，氣體沉積到中心黑洞附近，為黑洞提供了豐富的食物，以至于它們可以大快朵頤；而有的星系中心區(qū)域則比較平穩(wěn)，只有少量氣體能夠到達(dá)黑洞附近，使得黑洞不得不淺斟慢酌。”

04只可遠(yuǎn)觀：會(huì)把人變成意大利面

盡管人們對(duì)黑洞的熱情高漲，但其只可遠(yuǎn)觀而不可接近，否則，后果很嚴(yán)重。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果你和黑洞靠得太近，你就會(huì)就像意大利面一樣被拉長(zhǎng)。這一現(xiàn)象有個(gè)極富創(chuàng)意的名字“意大利面條效應(yīng)”。之所以會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)，是因?yàn)槿梭w各處受到的引力大小不同。

如果你兩腳朝下飛向黑洞，由于你的腳離黑洞更近，它受到的引力將比頭部受到的引力要大。更糟糕的是，由于胳膊并非位于身體中心，它們被拉長(zhǎng)的方向會(huì)與頭部的朝向稍有不同，你身體的邊緣部位會(huì)被拉進(jìn)身體里。最后的結(jié)果是，你的身體不僅被拉長(zhǎng)了，而且還變細(xì)了。因此，還沒(méi)等你（或其他物體）抵達(dá)黑洞中心，你就早早地變成了一根意大利面條。

05并非永久監(jiān)獄：信息可從中逃逸

經(jīng)典黑洞理論認(rèn)為，任何物質(zhì)和輻射都不能逃離黑洞；而量子力學(xué)理論表明，落入黑洞的信息可以重新獲取，這個(gè)所謂的“信息悖論”已困擾科學(xué)界40年。

2016年1月，霍金等人提出：落入黑洞的粒子的信息部分并沒(méi)有消失，有些信息會(huì)以不同的形式釋放出來(lái)，只不過(guò)很難還原和破解。

1985年，劍橋大學(xué)教授霍金。這一年霍金因?yàn)榉窝资チ苏f(shuō)話的能力。

其實(shí)，早在此之前的2015年3月，霍金就對(duì)黑洞理論進(jìn)行了修改，宣稱黑洞實(shí)際上是“灰色的”。新“灰洞”理論稱，物質(zhì)和能量被黑洞困住一段時(shí)間后，又會(huì)被重新釋放到宇宙中。霍金還指出，黑洞并非“永恒的牢籠”，某些信息會(huì)以不同的形式釋放出來(lái)。

現(xiàn)在，霍金同哈佛大學(xué)的安德魯·施特勒明格和劍橋大學(xué)的馬爾科姆·佩里提出了新理論：讓信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔軟的帶電毛發(fā)”組成，它們是位于事件視界上的光子和引力子組成的粒子，這些能量極低甚至為零的粒子能捕獲并存儲(chǔ)落入黑洞的粒子的信息，就像人的鼻毛能捕獲灰塵一樣。這意味著，盡管落入黑洞的粒子可能已“有去無(wú)回”，但部分信息存儲(chǔ)在這些“柔軟毛發(fā)內(nèi)”，持續(xù)在黑洞邊界逡巡。

霍金解釋說(shuō)：“我認(rèn)為，信息不像大多數(shù)人以為的那樣被存儲(chǔ)在黑洞內(nèi)部，而是被存儲(chǔ)在事件視界上。進(jìn)入黑洞的粒子的信息確實(shí)返回到空間了，但采用一種混沌且無(wú)用的形式。返回的信息與燒焦的百科全書(shū)差不多，從理論上來(lái)說(shuō)，信息并沒(méi)有丟失，但很難進(jìn)行翻譯和破譯。”

在美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》2016年6月8日的報(bào)道，霍金用他那著名的機(jī)器人聲音說(shuō)：“黑洞不是人們一度以為的那種永久的監(jiān)獄。如果你覺(jué)得陷入了黑洞，不要放棄。有路可逃。”

06終極命運(yùn)：或隨時(shí)間蒸發(fā)殆盡

黑洞的最終命運(yùn)如何呢？

1973年霍金在彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論的研究中發(fā)現(xiàn)原來(lái)“黑洞不黑”！原本經(jīng)典理論上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力學(xué)中也可以通過(guò)一定的機(jī)制發(fā)射黑體輻射，這就是霍金輻射！

盡管霍金的這一想法剛提出時(shí)受到了普遍的質(zhì)疑，但后來(lái)，大部分科學(xué)家都得出結(jié)論稱：如果我們關(guān)于廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的其他觀念是正確的，那么黑洞必須像熱體那樣發(fā)射粒子和輻射。

但我們又知道，任何東西都不能從黑洞的事件視界之內(nèi)逃逸出來(lái)，黑洞怎么可能發(fā)射粒子呢？量子理論給我們的回答是，粒子不是從黑洞里面出來(lái)的，而是從緊靠黑洞的事件視界的外面的“空虛的”空間來(lái)的。

霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中解釋稱，“空虛的”的空間充滿虛粒子反粒子對(duì)。它們被一同創(chuàng)生，相互離開(kāi)，然后再回到一起并且湮滅。如果黑洞存在，帶有負(fù)能量的虛粒子落到黑洞里可能會(huì)變成實(shí)粒子或者反實(shí)粒子。這種情形下，它不再需要和它的伴侶相互湮滅了。它被拋棄的伴侶可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量，也可以作為實(shí)粒子或反實(shí)粒子從黑洞的鄰近逃走。

黑洞視界附近的正反粒子對(duì)

而且，黑洞的質(zhì)量越小，其溫度就越高。這樣，隨著黑洞損失質(zhì)量，它的溫度和發(fā)射率增加，導(dǎo)致其質(zhì)量損失得更快。因此，小質(zhì)量的黑洞，霍金輻射強(qiáng)，它們很快就會(huì)蒸發(fā)掉，一個(gè)10^15克的黑洞被蒸發(fā)掉所需的時(shí)間與宇宙的年齡相仿。

由于逃離黑洞的輻射過(guò)于捉摸不定，因此“霍金輻射”很難得以證實(shí)。不過(guò)，據(jù)國(guó)外媒體2016年4月底報(bào)道，來(lái)自美國(guó)和以色列的兩個(gè)獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)稱，他們發(fā)現(xiàn)了足以支持“霍金輻射”理論的明確證據(jù)，但相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步證實(shí)。

物理學(xué)界的江湖流傳著很多關(guān)于黑洞的傳說(shuō)，孰真孰假，唯有等待時(shí)間和科學(xué)來(lái)檢驗(yàn)。

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