你以为看到了黑洞的真身？No，你太天真了

　　来源：图灵教育
　　作者：乐啊童
　　如今，除了大明星们被曝光，还有谁能凭一张照片就上热搜呢？你恐怕早就看见了这两天的一条热搜：首张黑洞照片面世！
　　你也许会问：＂我之前看到的那些黑洞照片都是啥啊？！＂假如你冲到天文学家的门前，投诉他们欺骗了你的感情，他们也许会说：＂您别急，我之前也没见过黑洞的真容。＂没错，我们刚刚才看到了一张黑洞真正的照片。
　　1 你的名字是黑洞
　　1967年12月，约翰·惠勒在一场题为＂我们的宇宙：已知与未知＂的演讲上讲述了坍塌的恒星，他用《爱丽丝梦游仙境》的故事打了个比喻：＂（坍塌的恒星）像柴郡猫一样消失了。猫只留下了它的笑。而恒星只留下了它的引力。有引力，但没有光。无论是光还是其他粒子，都不再出现。而且，射入黑洞的光或粒子只会使其质量增加、引力增强。＂
　　他在故事中偷偷用一个新术语替换了坍塌的恒星，那就是＂黑洞＂。＂洞＂就是＂从曲面一侧通往另一侧的开口＂，而＂黑＂则表达了它不发光的特点——没有光线能从这口巨大的深井中逃出。所以，我们看不见黑洞。黑洞并不是黑的，正如宇宙大爆炸并不是＂轰＂的一声巨响一样。惠勒的这个形象的比喻很快走出了学术圈，成了艺术家们的＂脑洞＂。＂陷入无尽深渊，坠入无边的黑洞＂，黑洞一词也激起了大众的恐慌和焦虑，被人们想象成去往另一个世界的通道。
　　然而，史料上第一次记载的＂黑洞＂（black hole）一词与宇宙毫无关系。印度天体物理学家贾因特·纳里卡曾讲过这样一个故事：在古时候的印度，有一座名为威廉堡的要塞，里面有一个又小又阴暗的房间，叫＂加尔各答的黑洞＂。这个房间长5米、宽4米，原本仅用于关押3名犯人。1757年，孟加拉地区发生了一次流血暴动。作为报复，该省的统治者残忍地把146名白人俘虏关进了这间＂加尔各答的黑洞＂。当时正值盛夏，犯人被关押了整整10个小时，最终只有22人活着出来。当然，这个血淋淋的故事的真实性值得研究，但无论如何，它倒是展示了黑洞的一个特性——摧毁所有闯入的物质。2＂宇宙监狱＂
　　说白了，黑洞的确是一座＂监狱＂。
　　这座＂监狱＂的诞生可以源于一颗恒星的死亡。恒星的核心在自身引力的作用下剧烈坍缩，引发超新星爆炸。假如恒星核心的质量非常大，没有什么能阻止坍缩过程，就连中子也会被碾碎，于是就形成了质量极大、密度极大、引力极大的黑洞。
　　在＂监狱＂的中心是＂奇点＂，这里的密度和热量无限大，体积却无限小，是吸入一切的魔窟。从中心到＂监狱＂大门之间空空如也，这段距离被称为＂史瓦西半径＂。而＂监狱＂的大门就是黑洞周围的球面，称为＂事件视界＂。
　　这座大门是怎么打开的？你可以想象一条河连着一座瀑布，有人正在河里游泳。河里靠近瀑布的地方有一条看不见的分界线，人们只要不越过这条分界线，就不用担心落入瀑布。然而，如果有人不小心穿过了这条线，即使他是游泳冠军，也会被无情的水流推向瀑布。这条看不见的分界线在水流中并没有被明确标识出来，这就是瀑布的＂视界＂。反过来想，＂黑洞瀑布＂的分界线就是它的视界。
　　这座＂监狱＂是靠什么关押犯人的？是引力——其实引力也是这座＂监狱＂的犯人，只不过，它是唯一可以＂露出身份＂的犯人。至于其他犯人，它们可以是一切粒子，包括光。这些犯人就没引力那么幸运了，它们在被关押后，身上的所有随身物品都被吞噬，这会让引力越变越大。这座＂监狱＂只记得犯人们的质量、角动量和电荷。越狱？别想了。
　　总有人想探访这座＂监狱＂，但你可能会头朝着黑洞自由下落，这时，你的脚受到的引力比头要小。你的身体被潮汐力拉长，而这个力会越来越大，最终，远在到达监狱大门——＂视界＂之前，你就会在高空被潮汐力撕裂而死。唯有广义相对论能躲开潮汐效应，带你进入黑洞内部的＂颠倒世界＂：在黑洞里，时空的性质被颠倒过来。黑洞里的未来是有终点的，那里就是黑洞中心的奇点。3 引力波，黑洞的《婚礼进行曲》
　　在1915年，爱因斯坦希望将狭义相对论拓展到加速运动的情况，并纳入引力的概念，由此得到了一个全新的理论，那就是广义相对论。爱因斯坦不仅把它应用在一些受引力相互作用的物体（比如天体）之上，而且还延伸至整个宇宙。宇宙为什么会膨胀？想究其根源，就要研究引力。可以说，引力才是宇宙演变的第一动力。
　　为了验证爱因斯坦的广义相对论，人们架起了激光干涉引力波天文台（简称LIGO），为的是收听一台＂广播节目＂——黑洞的婚礼。
　　黑洞有时候是个＂双黄蛋＂，称为双黑洞系统，它要么是一对大质量恒星演化的结果，要么是两个各自拥有一个中心超大质量黑洞的星系的结合：两个黑洞互相接近、＂旋近＂，然后＂并合＂，最后的那个黑洞清除了各种不规则性——百年好合！
　　黑洞运动的引力场随时间变化，引力造成了时空弯曲，每时每刻都会反映质量分布的变化和调整。这种调整犹如时空弯曲的＂涟漪＂，并以光速传播，这就是引力波。如果我们能＂捕捉＂到这个涟漪，就能知道在遥远的宇宙中，有一对黑洞新人在跳舞。4 欢迎来＂宇宙监狱＂拍照留念
　　越狱、探监都不可能，连靠近都是寻死，你还能给黑洞拍照留念吗？让我们回到大家投诉的问题上：我们之前看到的那些黑洞照片，到底都是啥？
　　其实，从前的黑洞照片大多是想象图，是科学家通过观察和探测数据计算出来的。光无法从黑洞中逃逸，我们有时只能通过喷流和吸积盘＂看到＂黑洞（图1）。在双星轨道运动的离心力的作用下，其中一颗星吸来的物质不会直接落到其表面，而是环绕着它不断累积，形成一个大致扁平的结构，叫作吸积盘。
　　图1 吸积盘和喷流
　　你可能还见过黑洞打造的＂魔戒＂。在理想状态下，地球（观察者）、黑洞和星体（光源）恰好形成三点一线，星体的光被大质量黑洞遮挡，形成一个扭曲的像。爱因斯坦早就预言了这种效应，作为中间天体的黑洞扮演着类似经典光学中透镜的角色，于是，人们称之为＂引力透镜效应＂（图2）。
　　图2 黑洞挡住背景中的星系产生了引力透镜效应
　　在引力透镜效应下，地球上的望远镜能捕捉到同一个光源形成的多个像，这些像全部集中在一个圆环上，形成了完美的光环，这就是＂爱因斯坦环＂（图3）。这就是人们在非常接近黑洞视界、没有吸积盘的区域看到的引力弧，我们可以用它来间接观察黑洞。
　　图3 引力透镜中的爱因斯坦环
　　那么，如今让大家如此欢呼雀跃的黑洞照片，又是怎么一回事？
　　与探测引力波的LIGO一样，＂事件视界望远镜＂也不是一台望远镜或一座天文台而已。从10多年前开始，美国麻省理工学院的科学家们联手全球科研人员，协调遍布世界各地的已有的射电望远镜，在美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极建立了观测阵列，模拟出了一台＂事件视界望远镜＂，希望拍摄到黑洞的清晰图像。
　　这台有地球大小的＂照相机＂对准的正是距离我们地球2.6万光年、位于银河系中央的人马座A*黑洞和距离5300万光年的M87黑洞。然而，正如＂照相机＂的名字告诉我们的，这是一台＂事件视界望远镜＂。为什么这么命名呢？
　　黑洞有着强大的引力，所以黑洞周围的物质（吸积盘）所发出的光会在引力作用下围绕黑洞的视界（＂监狱＂大门）形成一道光环。光环衬托出的剪影就是黑洞的轮廓，因此事件视界望远镜＂拍＂的其实仅是宇宙＂监狱＂的大门——事件视界，也可以说，照片里其实是这座＂监狱＂的剪影。
　　对，这张＂拍＂了10多年、＂冲洗＂了2年的照片，最后只给我们看了黑洞的剪影……但这已经很不错了，我们就知足吧。对了，别忘了说——＂茄子＂！
　　图4 微笑的星系团。
　　其实是哈勃天文望远镜拍摄的SDSS J1038+4849星系团，＂微笑＂的圆弧也是引力透镜效应的光环
　　你想进一步认识黑洞吗？这里有很多丰富有趣、充满文艺范儿的故事：☟
　　本作品荣获欧盟颁发的＂欧洲科学传播奖＂。作者简介
　　让-皮埃尔·卢米涅（Jean-Pierre Luminet），世界知名天体物理学家和黑洞问题专家，＂乔治·勒梅特天文学奖＂获得者，现任法国国家科学研究院下属巴黎默顿天文台宇宙理论研究部主任，从事相对论天体物理和宇宙学研究。作者同时还是一位作家和诗人，曾荣获法国艺术及文学勋章军官勋位，著有《从无穷开始》等多部畅销科普作品。译者介绍
　　卢炬甫（1947—2017），生前为厦门大学天文学系教授、博士生导师，主要研究领域为黑洞吸积盘理论及其高能天体物理应用。
　　余超，中山大学天文与空间科学研究院博士生，法国里昂高等师范学校物理学硕士，研究领域为场论、粒子物理与凝聚态物理，爱好天文学、宇宙学和高能物理。
　　审校：中国科学院国家天文台研究员 苟利军
　　参考资料：《黑洞与暗能量：宇宙与命运的交响》《追踪引力波：寻找时空的涟漪》
　　图片来源于：NASA，摄图网