整理 | 平章 喬喬
出品 | 網(wǎng)易科技《知否》欄目組（公眾號(hào)：tech_163）
4月10日，人類歷史上第一張黑洞照片被公布。
關(guān)于黑洞，我們有著太多太多的疑問。有鑒于此，我們整合了各大權(quán)威媒體的一些解讀，用于回答大家的疑問。
1、黑洞是什么？它是如何形成的？
黑洞屬于一種很奇異的天體，即使光也無法逃脫它的引力束縛，既然光也逃不出去，自然外面也看不見。別說用肉眼，就連很多高大上的科學(xué)儀器，都無法捕捉它的身影。
黑洞的形成和恒星的坍塌脫不了關(guān)系。中國(guó)古代就有記錄，某一天天空突然冒出了一顆特別亮的星星。后來我們才知道，那顆星星是因?yàn)椤绑w重”超標(biāo)，在自身重力的作用下自己塌陷了，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的輻射，我們才看到它發(fā)出的很亮的光。
2、對(duì)黑洞的研究始于何時(shí)？
一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，將時(shí)間和空間結(jié)合為一個(gè)四維的時(shí)空，并提出引力可視為時(shí)空的扭曲。這一理論做出了不少重要預(yù)言，其中之一便是：當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界（event horizon) 之內(nèi)——在這一黑洞的“勢(shì)力范圍”內(nèi)，引力強(qiáng)大到連光都無法逃脫。
1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過計(jì)算得到了愛因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面——“視界”一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國(guó)物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為“黑洞”。
3、黑洞有多少種？
按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。
按物理性質(zhì)劃分，根據(jù)黑洞本身的物理特性質(zhì)量，角動(dòng)量，電荷劃分，可以將黑洞分為四類。
（Ⅰ）不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞
（Ⅱ）不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞
（Ⅲ）旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞
（Ⅳ）一般黑洞
（Ⅴ）雙星黑洞
4、為何黑洞照片是紅色的？
黑洞照片首次面世，很多人在激動(dòng)興奮的同時(shí)又有些疑惑？說好的是黑洞，為啥照片是紅色的？其實(shí)，拍黑洞的望遠(yuǎn)鏡收集到的不是日常的可見光，而是一種波長(zhǎng)更長(zhǎng)的亞毫米波，本身是沒有顏色的區(qū)別的。說白了，照片的紅色是后期處理的效果，你也可以理解為一種“照騙”了。
5、黑洞的照片為啥這樣模糊？
黑洞固然神秘，但它的照片和光學(xué)照片的清晰度問題一樣，根源在于分辨率。盡管我們現(xiàn)在的亞毫米望遠(yuǎn)鏡基線已經(jīng)達(dá)到了1萬公里，但空間分辨率剛達(dá)到黑洞視界面的尺寸，所以在科學(xué)家們觀測(cè)的有限區(qū)域內(nèi)，就相當(dāng)于只有有限的幾個(gè)像素。在真實(shí)的情況下，我們?cè)谡掌兄荒芸吹轿e盤上的幾個(gè)亮斑而已。
6、此次拍攝的是哪個(gè)黑洞？
本次首先公布的是星系M87的照片，別著急，銀河系中心的黑洞照片還在數(shù)據(jù)處理中。
從2017年4月5日開始，一個(gè)國(guó)際合作的天文項(xiàng)目（Event Horizon Telescope，EHT）開始對(duì)兩個(gè)特殊天體進(jìn)行觀測(cè)：距離地球25000光年，位于銀河系核心人馬座A，以及距離地球5300萬光年的M87室女座星云。觀測(cè)的目標(biāo)不是常規(guī)的天體，而是兩個(gè)疑似的超大質(zhì)量黑洞。黑洞正前所未有的暴露在人類的視網(wǎng)膜中。
7、為何照片沖洗了2年之久？
視界面望遠(yuǎn)鏡2017年開始給黑洞拍照片，2019年才發(fā)布成果，為啥這張“高糊”照片沖洗了兩年之久？首先望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的數(shù)據(jù)量非常龐大，這些數(shù)據(jù)處理起來自然也就非常吃力了；其次黑洞太“調(diào)皮”，附近的氣體處于一種極端環(huán)境當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)有著非常多的不確定性；同時(shí)，我們的科學(xué)家非常嚴(yán)謹(jǐn)，在最終數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，科學(xué)家們?cè)趦蓚€(gè)不同的地方分別處理、分別驗(yàn)證。這樣算下來，就花費(fèi)了不少時(shí)間。
8、為什么能給不發(fā)光的黑洞拍照片？
黑洞給人印象最深刻的印象就是“霸蠻”但又很神秘的存在。說它“霸蠻”，是因?yàn)樗梢酝淌膳R近區(qū)域的任何物質(zhì)。
如果只是孤零零的黑洞，我們真的是沒辦法拍攝黑洞照片了。但通常都有物質(zhì)環(huán)繞在黑洞周圍，組成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)，叫“吸積盤”。吸積盤內(nèi)的物質(zhì)圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)，相互摩擦發(fā)出熾熱的光芒，包括從無線電波到可見光、到X射線波段的連續(xù)輻射，這些輻射可以逃逸到遠(yuǎn)處被我們探測(cè)到。
所以，我們拍攝到的不是黑洞本身，而是利用其邊界上的物質(zhì)發(fā)出的輻射勾勒出來的黑洞的輪廓。
9、拍攝黑洞照片的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”是個(gè)什么神器？
天文學(xué)家為了觀測(cè)黑洞視界邊緣上的物理過程，動(dòng)用了分布在全球的8座毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡組成了一個(gè)虛擬的，口徑接近整個(gè)地球的望遠(yuǎn)鏡，這座虛擬的望遠(yuǎn)鏡，稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”。
在這8座射電望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中，要數(shù)阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA）最為強(qiáng)大！ ALMA造價(jià)達(dá)14億美元，是目前最為昂貴的地基望遠(yuǎn)鏡之一。如果沒有ALMA的加盟，觀測(cè)黑洞的視界簡(jiǎn)直是不能完成的任務(wù)。
10、為啥只有“事件視界望遠(yuǎn)鏡”才能拍到黑洞？
由于星系中心的黑洞被厚厚的星際塵埃和氣體阻擋，光學(xué)波段的望遠(yuǎn)鏡無能為力，只能采用射電波段。毫米波已經(jīng)是射電望遠(yuǎn)鏡所用波長(zhǎng)的下限，在電磁波譜上已經(jīng)與紅外線接壤。為了能夠觀測(cè)到黑洞視界上的物質(zhì)行為，事件視界望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)把射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率提高到了前所未有的高度，到了10到20個(gè)微角秒的程度！這相當(dāng)于看清4000公里外硬幣上的發(fā)行日期。也就是說事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率是哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)千倍。
11、“事件視界望遠(yuǎn)鏡”可以給所有黑洞拍照嗎？
“事件視界望遠(yuǎn)鏡”利用的是一種叫“甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量”（VLBI）的技術(shù)。它允許用多個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)一個(gè)天體，模擬一個(gè)大小相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間最大間隔距離的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。
甚長(zhǎng)基線干涉觀測(cè)的分辨率是其它任何望遠(yuǎn)鏡所無法比擬的，最有顯示度的觀測(cè)成果是對(duì)超大質(zhì)量黑洞候選體的觀測(cè)研究，這是因?yàn)楹诙吹某叨确浅Ｐ?。目前VLBA觀測(cè)最成功的有3例，分別為銀河系中心、橢圓星系M87和塞弗特星系NGC4258中的超大質(zhì)量黑洞候選體。
12、為什么選擇銀河系中心和M87星系中心的黑洞作為研究對(duì)象？
在銀河系內(nèi)，人類已發(fā)現(xiàn)了20多顆恒星質(zhì)量的黑洞，距離我們最近的3400多光年，但為什么不選擇這些相對(duì)較近的黑洞進(jìn)行觀測(cè)，而非要舍近求遠(yuǎn)選擇26000光年之外的銀河系中心的黑洞和5300萬光年之外的M87星系中心的黑洞呢？這是因?yàn)檫@些恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量太小，直徑相對(duì)也較小，因此從地球上看去，張角反而不如較遠(yuǎn)距離的超大質(zhì)量黑洞大。
13、中國(guó)科學(xué)家在黑洞照片拍攝過程中做出了哪些貢獻(xiàn)？
我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究，在EHT國(guó)際合作形成之前就已開展了多方面具有國(guó)際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，中國(guó)科學(xué)家在早期共同推動(dòng)了EHT的合作并參與了EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)，同時(shí)協(xié)助JCMT望遠(yuǎn)鏡開展觀測(cè)并參與數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等，為EHT黑洞成像做出了積極的貢獻(xiàn)。
14、黑洞這么“貪吃”，它真的能裝下這么多東西？
1974年，物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出了黑洞的輻射理論，即霍金輻射。根據(jù)這個(gè)理論，黑洞會(huì)通過霍金輻射損失一部分質(zhì)量和能量。
雖然霍金輻射會(huì)讓黑洞“冒汗”，但是消耗的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上它們貪吃的量，所以也就根本無法減肥。
事實(shí)上，宇宙中的所有物質(zhì)最后都可能落入到這些貪吃的黑洞的內(nèi)部，到那時(shí)候，宇宙中就真的是漆黑一片了。
15．黑洞的陰影圖像代表了什么？
黑洞照片展示了一個(gè)中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，看上去有點(diǎn)像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。
廣義相對(duì)論預(yù)言，由于黑洞的存在，我們將會(huì)看到中心區(qū)域存在一個(gè)由于黑洞視界而形成的陰影，其周圍環(huán)繞一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)，由于黑洞的自旋及與觀測(cè)者視線方向的不同，光環(huán)的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(注：史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑)。
16．黑洞研究對(duì)科學(xué)的發(fā)展有啥意義呢？
科學(xué)家說了，對(duì)黑洞的研究就是我們要理解這方面自然規(guī)律，其中重要的方面就是理解量子力學(xué)和引力理論的關(guān)系以及黑洞在宇宙演化中的作用。
這也不是說黑洞比其他現(xiàn)象重要，只是很多人對(duì)這個(gè)感興趣，而很多東西我們又還不理解，所以進(jìn)行研究。至于弄清楚后，能否實(shí)現(xiàn)時(shí)空旅行等人類美好的愿望，就是應(yīng)用問題了。
17．黑洞是如何被看見的？
事件視界望遠(yuǎn)鏡由位于四大洲的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡所組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠(yuǎn)鏡的“基線”，由此構(gòu)成了一架和地球大小相當(dāng)?shù)耐h(yuǎn)鏡。
它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標(biāo)（兩年前視界面望遠(yuǎn)鏡選定了兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中心的黑洞）撒出一條大網(wǎng)，撈回海量數(shù)據(jù)，以勾勒出黑洞的模樣。
事實(shí)上，亞毫米波段和我們非常熟悉的可見光有著天壤之別。這個(gè)波段我們是無法直接看到的，所以，利用亞毫米波段給黑洞拍照，其實(shí)就是得到黑洞周圍輻射的空間分布圖。
對(duì)于我們?nèi)粘＝佑|的光學(xué)照片來說，它反映的是光學(xué)波段不同顏色或者頻率的光子在不同空間位置上的分布情況。明白了這一點(diǎn)以后，我們就很容易理解亞毫米波段“黑洞照相館”的原理了。
盡管是在單個(gè)頻率進(jìn)行亞毫米波段觀測(cè)，但因?yàn)楹诙粗車煌瑓^(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度不同，我們于是可以得到一個(gè)光子強(qiáng)度分布圖，然后我們假定不同的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學(xué)家根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)定的顏色。
18．黑洞從未被觀測(cè)到，是如何被證明真的存在的？
黑洞無法直接觀測(cè)，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測(cè)到它對(duì)其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出和γ射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。推測(cè)出黑洞的存在也可借由間接觀測(cè)恒星或星際云氣團(tuán)繞行軌跡取得位置以及質(zhì)量。
19．黑洞照片對(duì)于驗(yàn)證相對(duì)論、揭秘星系演化有何意義？
這次的直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在，同時(shí)也通過模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論做出了驗(yàn)證。在視界面望遠(yuǎn)鏡的工作過程和后來的數(shù)據(jù)分析過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，所觀測(cè)到的黑洞陰影和相對(duì)論所預(yù)言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。
另外一個(gè)重要意義在于，科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對(duì)M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量。在此之前，精確測(cè)量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。
受限于觀測(cè)分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細(xì)節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動(dòng)、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制，完善我們對(duì)于星系演化的認(rèn)知與理解。
20．是誰(shuí)首次想象出黑洞的樣子？
在沒能一睹黑洞真容的歲月里，科學(xué)家通過計(jì)算了解黑洞的“樣貌”。
早在上世紀(jì)10年代后期，大數(shù)學(xué)家希爾伯特（David Hilbert）就計(jì)算了黑洞周圍的光線彎曲和引力透鏡效應(yīng)。
70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人計(jì)算出了黑洞的圖像。
90年代后期，Heino Falcke等人針對(duì)銀河系中心黑洞的情況做了詳細(xì)計(jì)算，并引入了黑洞陰影的說法。他們同時(shí)指出，該黑洞陰影若是“鑲嵌”在周圍明亮的，光學(xué)?。磳?duì)某一觀測(cè)波長(zhǎng)透明）的熱氣體中，就可以被（亞）毫米波甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)“看到”。
此后，人們利用廣義相對(duì)論磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，針對(duì)黑洞成像開展了大量研究，均預(yù)言黑洞陰影的存在。因此，對(duì)黑洞的陰影的成像提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。
21．黑洞最終的命運(yùn)是什么？
黑洞的未來只有一個(gè)方向：宏觀黑洞會(huì)繼續(xù)吞噬能夠遇到的任何物質(zhì)和能量，長(zhǎng)得越來越大；然而在體積越來越大的同時(shí)，它們的平均密度會(huì)越來越小，也就是說它們會(huì)變得越來越虛胖。
22. 如果人類掉進(jìn)黑洞會(huì)怎么樣？
黑洞里面仍然有時(shí)間和空間，有可能黑洞真的是長(zhǎng)生不老，而且會(huì)長(zhǎng)得越來越大，越來越胖。
接下來是開腦洞時(shí)間：如果宇航員駕駛一艘非常結(jié)實(shí)、不會(huì)被引力壓壞的飛船進(jìn)入黑洞，會(huì)發(fā)生什么呢？科學(xué)家會(huì)嚴(yán)肅地告訴你：首先，飛船是否結(jié)實(shí)不是關(guān)鍵，宇航員自己是否結(jié)實(shí)才是最關(guān)鍵的。
事實(shí)上，一旦“掉”進(jìn)黑洞，宇航員會(huì)感受到沿著下落方向的巨大拉伸力，估計(jì)就像是一個(gè)人被沿著頭和腳的方向用力拉扯吧！如果他進(jìn)入的黑洞的質(zhì)量比較小，宇航員會(huì)被“扯”成面條。如果他進(jìn)入的黑洞質(zhì)量很大，開始進(jìn)去時(shí)他可能不會(huì)有太多的感覺。但是進(jìn)去之后就會(huì)一直往黑洞的中心奇異點(diǎn)落去，直至最后粉身碎骨，
至于接下來會(huì)發(fā)生什么或恐怖或奇妙的事情，我們就不得而知了。
23、黑洞是不是管道狀？
黑洞視界的大小取決于引力，因此視界是一個(gè)包裹著黑洞的球面。如果你有辦法從外面看到視界，它看上去會(huì)像是一個(gè)黑色的球面。
有些人把黑洞想象成一個(gè)圈或者是管道狀的?！肮艿馈笔窃诮忉屢?duì)空間的彎曲中經(jīng)常所用的圖釋，這時(shí)坍縮的3維空間被簡(jiǎn)化成了2維空間?？臻g被想象成了一張床單，大質(zhì)量天體對(duì)空間的彎曲就和把一個(gè)保齡球放在床單上的效果一樣。但空間不是2維，是3維的（如果算上時(shí)間就是4維的），因此這個(gè)解釋就會(huì)讓人們對(duì)黑洞視界的形狀產(chǎn)生誤解。
24、黑洞會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)嗎？
黑洞確實(shí)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。恒星會(huì)自轉(zhuǎn)，它的核心也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)恒星的核心坍縮地越來越小時(shí)，它的自轉(zhuǎn)就會(huì)越來越快。這就像花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員通過收回張開的手臂來加快自身的轉(zhuǎn)速一樣。如果核的質(zhì)量不足以形成黑洞，它就會(huì)形成一顆直徑只有幾千米的中子星。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆中子星，它們自轉(zhuǎn)的速度非?？?，有時(shí)甚至可以達(dá)到每秒鐘100圈。
25.黑洞總是黑的嗎？
很少有物質(zhì)會(huì)直接掉入黑洞進(jìn)而消失。稍有偏差，它們就會(huì)繞著黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著物質(zhì)的增多，它們就會(huì)在黑洞周圍聚集起來。這些物質(zhì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而使得物質(zhì)被加熱到數(shù)百萬度的高溫，于是黑洞附近的物質(zhì)就會(huì)發(fā)出極為明亮的輻射。
黑洞竟然通過吞噬物質(zhì)成為了宇宙中最明亮的天體。
26.黑洞會(huì)繼續(xù)變大嗎？
當(dāng)兩個(gè)黑洞碰撞的時(shí)候會(huì)發(fā)生什么？它們會(huì)形成一個(gè)更大的黑洞。類似地，黑洞吞食其他物質(zhì)也會(huì)長(zhǎng)大。在早期宇宙中當(dāng)星系正在形成時(shí)，嬰兒星系核心處的物質(zhì)會(huì)坍縮成一個(gè)質(zhì)量極大的黑洞。隨著越來越多的物質(zhì)掉入其中，黑洞會(huì)貪婪地消化它們進(jìn)而生長(zhǎng)。最終它會(huì)長(zhǎng)成一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。
27、黑洞的密度竟然堪比空氣？
這一點(diǎn)確實(shí)出乎意料，但事實(shí)確實(shí)如此。
一個(gè)普通的黑洞質(zhì)量通常為太陽(yáng)的3倍，視界的半徑為9千米，此時(shí)它的密度為每立方厘米2千萬億克。但如果你把它的質(zhì)量翻一倍，其密度就會(huì)減少到原來的1/4；質(zhì)量增大10倍，密度就會(huì)減少100倍。對(duì)于一個(gè)在星系團(tuán)中常見的、10億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞而言，它的密度只有每立方厘米0.001克，和地球上的空氣密度一樣。
