# 首张黑洞照片的意义

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北京时间4月10日晚上九点，天文学家向全世界公布了人类历史上第一张黑洞的照片。过去这一天来你想必已经看了不少的报道。今天我们精英日课专栏以对话问答的方式帮你分析一下这张照片的意义。

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— 的确如此！这是物理学的又一个伟大胜利。世界上有很多自然现象是我们先观察到、一开始不理解，然后想方设法提出各种理论去解释。而黑洞，则是在谁也没观察到、甚至连做梦都没有幻想到的情况下，完全由物理学家从广义相对论出发，先理论推导出来的东西。

一开始我们只是发现广义相对论*允许*有黑洞这种东西存在，但是没有人知道黑洞是否真的存在。物理学家把黑洞当做一个有意思的思想实验，也可以说是一个思维玩具。

— 是的。黑洞是一个极其特殊的东西。因为光线无法从黑洞中逃出来，我们不可能直接看到它。如果是一个孤零零的黑洞，周围没有别的东西，那就完全探测不到。

但如果黑洞周围有东西，黑洞就会左右这些东西的运动状态，我们就可以通过观察它周围的这些东西判断黑洞的存在。在这次观测之前，我们已经有了非常充分的证据，相信黑洞的存在。

— 只是间接证据，但是是强有力的证据。比如天文学家观测到，在我们这个银河系的中心，有几十颗恒星，它们的运动轨迹明显是在绕着一个什么东西转。你看不见那个东西，但是你用周围恒星的轨道计算一下，发现那个东西的质量应该是太阳的400万倍。这么重，又看不见，那你说这是个什么东西呢？符合理论预期的只可能是黑洞。

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还有一种情况，如果黑洞周围没有什么恒星，但是有很多气体，那么黑洞的引力会“吸积”这些气体。这种星际气体都是带电的离子，它们的运动会产生磁场，它们加速之后会发出辐射，这个辐射的光我们可以看到。比如这次公布的黑洞照片，我们实际看到的就是黑洞周围的气体发出的光，真正的黑洞是在光圈中间那个“黑黑的洞”里面。

这个黑洞是室女A星系 —— 也叫 M87 － 的星系中心的超大质量黑洞，而天文学早就知道它的存在。黑洞吸积了带电气体之后，这些气体并不都掉入黑洞内部，有很多在磁场的作用下还会被黑洞再喷射出去，形成喷流。M87核心黑洞的这个喷流长度高达几千光年，天文学家早在1918年就注意到了 —— 只有黑洞能解释这个现象。

M87 中心黑洞喷流的实际观测图 —— 

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黑洞喷流概念图 ——

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当然还有一个证据就是两个黑洞碰撞时发出的引力波。因为这些证据，我们非常相信黑洞的存在，只不过要说直接拍照片这是第一次。

— 现在观测结果是*几乎*每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。这个黑洞很可能在星系的形成和演化的过程中起到了关键的作用，也许在星系早期起到了种子的作用……但是我们现在还不确定。请注意，黑洞只能直接影响到它附近的一些恒星，对星系里绝大多数恒星并没有影响。

本来这次事件视界望远镜也观测了我们银河系中心的超大质量黑洞，它距离地球只有26000光年，比 M87那个距离我们5500万光年要近得多 — 但我们这个黑洞有点小，质量只有400万倍太阳，不像M87的那个质量是太阳的65亿倍。更重要的是，我们这个黑洞的旋转速度有点快，等于说它一边动你一边拍照，照片就不清晰。

下面这张图是 M87 那个黑洞在几天内的变化，可以说变化很小 —— 

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— 取决于你怎么定义“真正的照片”。你拿手机给月亮拍个照片，一次成像，照片上的光线就是你肉眼能看到的光线，可以说是真正的照片。但是像这种天文观测，首先照片上的颜色就不是真正的可见光线，而是对无线电波的示意图。望远镜实际接收的是无线电波。

— 没错。图中的亮和暗，只是示意接收到的无线电波的频率大小，不过无线电波也是一种光，只是肉眼不可见。这么远的距离，中间可能有各种阻碍，可见光穿不过来，而无线电波的穿透力强，这就是为什么你在封闭的房间里也能收听到广播。

— 这是因为黑洞周围的那些带电气体在旋转。下方的气体在向我们走过来，上方的气体在离我们而去。根据相对论，光速还是一样的，但是光的频率会有一个变化，下方光线的频率变高了，上方变低了。

— 本质区别就是PS是主观的，你想怎么美化就怎么美化，相当于艺术创作；而这个合成是客观的，是算法自动生成……

— 嗯……也不能这么说。噪声实在太大了，原始数据完全就是一大堆雪花点，不作任何假设直接提取结构是不可能的。数据分析者事实上得假设要看的这个东西具有某种结构。但是不一定假设黑洞结构，据我所知他们测试了几种不同的结构，结果是完全一样的。而且为了保证客观，还分成四个小组各自独立分析数据，最后结果也是一样。

— 是的！科学发现，满足人类的好奇心，这是最大的合作动力。别忘了当初互联网的发明，也是为了满足物理学家交流数据的需求。

— 没有物理学意义上的意外。但是这个照片能有这么清晰，可以说就是最大的意外！照片的确带给我们一个新知识，就是M87 中心这个黑洞的质量到底是多少。以前根据周围情况，天文学家的判断是质量在35亿到72亿个太阳之间，现在这张照片说明质量是65亿个太阳。不过这个新知识是关于这个具体黑洞的知识，不是新物理知识。

— 的确如此。广义相对论已经被多次验证，无需再次证明。对于黑洞，理论物理学家最关心的是广义相对论和量子力学结合起来，会在黑洞上表现出什么样的效果。比如说，有物理学家认为考虑到量子力学，黑洞的“事件视界”就不是平淡地过渡了，而是一面“火墙”……但是要想证明这些猜想需要极其精确的观测，现在这个是肯定不行的……也许永远都不可能。

— 观测不到。除非你把一个探测器放到黑洞边上测量，可是所有黑洞都距离我们太远了。我们大概永远都不可能实地考察一个黑洞。

— 还不够多。比如说，像这次照片里这样的超大质量黑洞，它到底是如何形成的？是在早期宇宙就形成了，还是后来慢慢吸收周围的恒星才变得这么大？它怎么会这么大呢？还有黑洞的内部到底是什么样的？这些我们都不知道。甚至就连 M87 这个黑洞向外喷射的那个喷流的形成原理，现在也没完全搞清楚。所以有这个观测手段实在是太重要了。

— 我们说了，广义相对论已经经受过很多考验，爱因斯坦到这时候应该不会那么容易激动了。但是爱因斯坦可能会感到意外。当初别人在数学上推算出黑洞，爱因斯坦并没当回事儿，他不怎么相信真的有黑洞 —— 数学上允许存在，并不等于实际上就存在，毕竟黑洞这个东西实在太极端了。

的确是！天文学是个特别刺激的学科，我们这个宇宙，非常喜欢搞事情……

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