首张黑洞照片面世！黑洞其实不太黑，洞也不是那个洞？
人类史上首张黑洞照片面世！北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点“捕获”的视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。 4月10日，一条消息将让全世界物理学界为之沸腾：“千呼万唤始出来”，位于全球各地的“事件视界望远镜”（EHT）拍摄到的首张黑洞图像将于当日新鲜“出炉”。黑洞，这个恍若鬼魅的天体又开始霸道地侵袭我们的视野。 它是在时间和空间中形成的“洞”，不断吞噬周围物质，增加自己的质量；它也是光子的“牢笼”；它贪得无厌，永不停息地吞噬着周围的一切……这是世人绘制的黑洞的经典图像：既霸蛮又贪吃。但真是如此吗？ 黑洞，今天终于可以看到你的样子，首张黑洞照片将于北京时间今晚9点面世。 2019年4月2日，中国科学院上海天文台发布了一则简短的通知。通知提到，事件视界望远镜项目(Event Horizon Telescope，简称EHT)将和中国科学院一道，发布一项“来自于EHT的最新重大成果”。正在舆论猜测之际，4月5日来自中国科学院的最新消息称：首张黑洞照片目前正在最后“冲洗”阶段，其问世已进入倒计时。北京时间2019年4月10日晚上9点整，将宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构，也参与了此次国际合作。在经过百年的探索后，人类即将揭开黑洞的神秘“面纱”。 这张照片为何难拍，冲洗为何花了两年？ 专家解释：我们看黑洞就像站在地球上看一只放在月球表面的橙子。 发现黑洞已如此不易，怎么给它拍照？要想观测遥远的黑洞，依靠目前地球上任何单个望远镜远远不够。在过去10多年时间里，麻省理工学院(MIT)的科学家们联合了其他研究机构的科研人员，开展了“事件视界望远镜”项目，全球各地8个射电望远镜同时对黑洞展开观测。为了增加空间分辨率，以看清更为细小的区域，科学家们在此次进行观测的望远镜阵列里增加了位于智利和南极的望远镜。在所有参与观测的望远镜当中，智利的ALMA毫米望远镜是最为重要的一个，因为它的灵敏度是目前单阵列望远镜当中最高的。但它的档期非常满。ALMA望远镜排满了一系列观测计划，所以此次黑洞视界面的观测，ALMA望远镜只计划进行四五天，其中两个晚上观测银河系中心黑洞SgrA*，剩下的时间留给星系M87黑洞。要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞，留给科学家们的观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天时间。8个望远镜组成的国际部队，不能直接看到黑洞，但它们将收集大量关于黑洞的数据信息，勾勒出黑洞的样子。洗照片，少则半年，长则两年，给黑洞拍张照片不容易，“洗照片”更是耗时漫长。对于此次跨越南北半球的事件视界望远镜观测，因其所涉及的站点区域非常广阔，所产生的数据量将十分庞大。事件视界望远镜每一个晚上所产生数据量可达2PB (2000000GB)。帮助科学家找到“上帝粒子”的欧洲大型质子对撞机，一年产生的数据量也就这个量级。在观测结束之后，各个站点收集的数据，被汇集到两个数据中心——位于美国麻省的Haystack天文台和德国波恩的马普射电所。在那里，大型计算机集群将会对数据时间进行合并与分析，从而产生一个关于黑洞的图像。这一分析所需的时间少则半年，长则数年。最终我们等了这张照片两年。“黑洞图像，将帮助人们回答喷流是如何产生并影响星系演化的。”天文爱好者庄则以说，事件视界望远镜的观测对于科学研究有着非常重大的意义，“即便是只能够看到几个像素，此次视界面望远镜的观测也将是人类黑洞观测史上的重要一步。”总之，我们何其幸运，或许将成为茫茫宇宙中，第一批亲眼看到黑洞的碳基生物。从预言到看见，黑洞研究跨越百年 黑洞如何形成的呢？ 中国科学院国家天文台研究员陆由俊对科技日报记者说：“目前比较明确的是恒星级质量的黑洞是恒星塌缩的遗骸；而大质量黑洞则有可能由其它机制产生的中等质量黑洞吸积物质长大而成。” 所有的恒星都是核聚变反应炉，在其中，轻元素（主要是氢）聚合成重元素。核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过，最终，核燃料耗尽，由中心产生的能量再也无力对抗外壳巨大的重量，引力开始起主宰作用。 1928年，印度研究生萨拉·玛尼安·钱德拉塞卡乘船来英国剑桥学习天文学。在来英途中，钱德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后，多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己——这就是所谓的“钱德拉塞卡极限”，约为1.44倍太阳质量。 陆由俊解释说：“这一值对大质量恒星的最终归宿具有重大意义。一般来说，如果一颗恒星的质量不到太阳质量的9倍，最终会形成白矮星；9-25个太阳质量左右的恒星会演化至超新星爆发，再最后塌缩为中子星；而约25个太阳质量之上的恒星会形成黑洞。” 当这一恒星收缩到某一临界半径（“史瓦西半径”，以德国物理学家、天文学家卡尔·史瓦西的名字命名，他是使用爱因斯坦广义相对论方程证明黑洞的确能够形成的第一人）时，其表面上的引力变得如此之强，以至于光线再也逃逸不出去。 根据相对论，没有东西能行进得比光还快。如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能：所有东西都会被引力场拉回去。这样，就出现了一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者——我们将这一区域称谓黑洞，将其边界称作事件视界。 据物理学家组织网4月6日报道，一些黑洞是贪婪的贪食者，吸入大量气体和灰尘；而其他黑洞则很挑食。 比如，此次EHT任务的主要目标，位于银河系中央的“人马座A*”似乎就很挑食，尽管其质量为太阳质量的400万倍，但它的吸积盘却出人意料地暗淡。吸积盘由气体、弥散物质等组成，围绕黑洞或中子星转动，远远看去，就像一个扁平的盘子。 而此次EHT观察的另一个目标，即M87星系中的黑洞，则是一个贪婪的食客，其质量介于35亿至72.2亿太阳质量之间。它不仅拥有一个非常明亮的吸积盘，而且，它还喷射出明亮、快速的带电亚原子粒子流，这一粒子流延伸约5000光年。 同样是超大质量黑洞，为什么“贪吃”的程度差别如此巨大？这一问题一直以来都是困扰天体物理学家的难题。 陆由俊解释说：“原因是不同星系核心的环境不一样。有的星系的中心由于受到诸如星系碰撞过程等的扰动，气体沉积到中心黑洞附近，为黑洞提供了丰富的食物，以至于它们可以大快朵颐；而有的星系中心区域则比较平稳，只有少量气体能够到达黑洞附近，使得黑洞不得不浅斟慢酌。 尽管人们对黑洞的热情高涨，但其只可远观而不可接近，否则，后果很严重。简单来说，如果你和黑洞靠得太近，你就会就像意大利面一样被拉长。这一现象有个极富创意的名字“意大利面条效应”。之所以会产生这种效应，是因为人体各处受到的引力大小不同。 如果你两脚朝下飞向黑洞，由于你的脚离黑洞更近，它受到的引力将比头部受到的引力要大。更糟糕的是，由于胳膊并非位于身体中心，它们被拉长的方向会与头部的朝向稍有不同，你身体的边缘部位会被拉进身体里。最后的结果是，你的身体不仅被拉长了，而且还变细了。因此，还没等你（或其他物体）抵达黑洞中心，你就早早地变成了一根意大利面条。 被黑洞拉成意大利面条的宇航员 经典黑洞理论认为，任何物质和辐射都不能逃离黑洞；而量子力学理论表明，落入黑洞的信息可以重新获取，这个所谓的“信息悖论”已困扰科学界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没有消失，有些信息会以不同的形式释放出来，只不过很难还原和破解。 1985年，剑桥大学教授霍金。这一年霍金因为肺炎失去了说话的能力。 其实，早在此之前的2015年3月，霍金就对黑洞理论进行了修改，宣称黑洞实际上是“灰色的”。新“灰洞”理论称，物质和能量被黑洞困住一段时间后，又会被重新释放到宇宙中。霍金还指出，黑洞并非“永恒的牢笼”，某些信息会以不同的形式释放出来。 现在，霍金同哈佛大学的安德鲁·施特勒明格和剑桥大学的马尔科姆·佩里提出了新理论：让信息“逃逸”的黑洞裂口由“柔软的带电毛发”组成，它们是位于事件视界上的光子和引力子组成的粒子，这些能量极低甚至为零的粒子能捕获并存储落入黑洞的粒子的信息，就像人的鼻毛能捕获灰尘一样。这意味着，尽管落入黑洞的粒子可能已“有去无回”，但部分信息存储在这些“柔软毛发内”，持续在黑洞边界逡巡。 霍金解释说：“我认为，信息不像大多数人以为的那样被存储在黑洞内部，而是被存储在事件视界上。进入黑洞的粒子的信息确实返回到空间了，但采用一种混沌且无用的形式。返回的信息与烧焦的百科全书差不多，从理论上来说，信息并没有丢失，但很难进行翻译和破译。” 在美国《纽约时报》2016年6月8日的报道，霍金用他那著名的机器人声音说：“黑洞不是人们一度以为的那种永久的监狱。如果你觉得陷入了黑洞，不要放弃。有路可逃。” 黑洞的最终命运如何呢？ 1973年霍金在弯曲时空量子场论的研究中发现原来“黑洞不黑”！原本经典理论上“一毛不拔”的黑洞在黑洞量子力学中也可以通过一定的机制发射黑体辐射，这就是霍金辐射！ 尽管霍金的这一想法刚提出时受到了普遍的质疑，但后来，大部分科学家都得出结论称：如果我们关于广义相对论和量子力学的其他观念是正确的，那么黑洞必须像热体那样发射粒子和辐射。 但我们又知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，黑洞怎么可能发射粒子呢？量子理论给我们的回答是，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空虚的”空间来的。 霍金在《时间简史》中解释称，“空虚的”的空间充满虚粒子反粒子对。它们被一同创生，相互离开，然后再回到一起并且湮灭。如果黑洞存在，带有负能量的虚粒子落到黑洞里可能会变成实粒子或者反实粒子。这种情形下，它不再需要和它的伴侣相互湮灭了。它被抛弃的伴侣可以落到黑洞中去。或者由于它具有正能量，也可以作为实粒子或反实粒子从黑洞的邻近逃走。 黑洞视界附近的正反粒子对 而且，黑洞的质量越小，其温度就越高。这样，随着黑洞损失质量，它的温度和发射率增加，导致其质量损失得更快。因此，小质量的黑洞，霍金辐射强，它们很快就会蒸发掉，一个10^15克的黑洞被蒸发掉所需的时间与宇宙的年龄相仿。 由于逃离黑洞的辐射过于捉摸不定，因此“霍金辐射”很难得以证实。不过，据国外媒体2016年4月底报道，来自美国和以色列的两个独立研究团队称，他们发现了足以支持“霍金辐射”理论的明确证据，但相关研究仍有待进一步证实。 物理学界的江湖流传着很多关于黑洞的传说，孰真孰假，唯有等待时间和科学来检验。
