【黑科技】第一張黑洞照片亮相 宇宙“巨獸”露真容

昨晚，事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)國際合作項(xiàng)目宣布：首張黑洞照片面世!并在全球六地(比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺(tái)北、日本東京和美國華盛頓)以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言，召開全球新聞發(fā)布會(huì)。

《天體物理學(xué)雜志通信》于4月10日以特刊的形式通過六篇論文發(fā)表了這一重大結(jié)果。該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。該黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。

這是一場(chǎng)堪稱史無前例黑洞“攝獵”!這是事件視界望遠(yuǎn)鏡國際合作項(xiàng)目于2017年觀測(cè)，歷時(shí)近2年時(shí)間分析產(chǎn)生的重大科學(xué)成果，共有兩百多名科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員參與其中，調(diào)動(dòng)了散布于全球的 9 個(gè)天文臺(tái)的力量。

我們是多么幸運(yùn)，成為了見證首張黑洞照片誕生的第一批人類!

什么是黑洞?

引力波和黑洞都是愛因斯坦廣義相對(duì)論的理論預(yù)言，早在1915年，愛因斯坦發(fā)表了劃時(shí)代的理論：廣義相對(duì)論，并于次年用這個(gè)理論預(yù)言了引力波。此后，他花了近二十年的研究才相信引力波是真實(shí)的，而人類更是在近百年之后才首次探測(cè)到引力波。而引力波與黑洞的相關(guān)理論工作都是在同一年(即1916年)發(fā)表的。在那一年，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西解出了廣義相對(duì)論的第一個(gè)精確解：史瓦西解，也就是我們現(xiàn)在所知道的靜態(tài)、球?qū)ΨQ的史瓦西黑洞。

在這之后的幾十年中，黑洞的研究進(jìn)展緩慢，沒有人知道在廣袤宇宙中是否真實(shí)存在著史瓦西解對(duì)應(yīng)的天體，大多數(shù)學(xué)者都只是對(duì)這個(gè)解的理論或數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)感興趣。1939年，奧本海默和斯奈德發(fā)現(xiàn)球?qū)ΨQ的大質(zhì)量恒星在其核能耗盡后會(huì)在引力作用下直接塌縮向中心。1958年，芬克爾斯坦作出了突破性貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在史瓦西半徑(黑洞的一個(gè)特征半徑，也叫引力半徑或事件視界)之內(nèi)，任何粒子和光都無法逃離黑洞。因此，從大約1963年開始，史瓦西解對(duì)應(yīng)的天體開始被稱為黑洞，尤其是在1967年被普林斯頓大學(xué)著名物理學(xué)家約翰·惠勒采用后，“黑洞”這個(gè)詞變得廣為流行。

從1970年左右開始，天文學(xué)家逐漸在宇宙中找到黑洞可能真實(shí)存在的觀測(cè)證據(jù)。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的黑洞候選體大體上可以分成兩大類別：恒星質(zhì)量黑洞與超大質(zhì)量黑洞。對(duì)于質(zhì)量位于它們之間的中等質(zhì)量黑洞，目前的觀測(cè)證據(jù)則要少很多。

2015年，人類首次探測(cè)到了來自宇宙中的引力波，引力波的探測(cè)可以說是近幾年物理與天文學(xué)界最重大的突破之一。它不僅進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，而且還對(duì)引力波與黑洞的存在給出了關(guān)鍵的觀測(cè)證據(jù)。因此，對(duì)這個(gè)項(xiàng)目起到?jīng)Q定性作用的三位科學(xué)家迅速在2017年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這次引力波信號(hào)持續(xù)時(shí)間不到1秒，天文學(xué)家相信它來源于兩個(gè)質(zhì)量分別約為30和35倍太陽質(zhì)量黑洞的碰撞并合。這和理論預(yù)期是一致的，廣義相對(duì)論的計(jì)算告訴我們當(dāng)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量擁有變化的加速度時(shí)會(huì)輻射引力波。在絕大多數(shù)情況下，引力波輻射是非常微弱的，而兩個(gè)互相繞轉(zhuǎn)的致密天體(如黑洞和中子星)正是天然的引力波源，其在并合前輻射的引力波就相對(duì)比較強(qiáng)。

近幾年引力波事件中探測(cè)到的黑洞是恒星質(zhì)量黑洞，質(zhì)量大概在數(shù)倍到數(shù)十倍太陽質(zhì)量之間。對(duì)于這類黑洞，我們已經(jīng)有了較好的了解，我們相信它們是大質(zhì)量恒星演化的最終產(chǎn)物。按照估計(jì)，銀河系大約有千億顆恒星，其中大質(zhì)量恒星壽命比較短，多數(shù)應(yīng)該都已經(jīng)演化成黑洞，銀河系中估計(jì)大約有1億顆恒星質(zhì)量黑洞。目前人類在銀河系中只探測(cè)到幾十顆這類黑洞候選體，其中離我們最近的黑洞麒麟座V616離我們大約有3000光年。

如果有未知黑洞靠近我們的家園太陽系，可能會(huì)把一些外太陽系的小天體散射進(jìn)入內(nèi)太陽系;如果黑洞進(jìn)入太陽系，它甚至?xí)绊懙厍虻倪\(yùn)行軌道，給地球生命帶來災(zāi)難性影響。黑洞吸積過程產(chǎn)生的高能輻射與噴流也可能對(duì)地球產(chǎn)生重大影響。

超大質(zhì)量黑洞：星系中心的巨獸

此次事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)國際合作項(xiàng)目探測(cè)的兩個(gè)黑洞分別是銀河系中心黑洞和位于室女座方向的橢圓星系M87中心的黑洞，這兩個(gè)黑洞都屬于超大質(zhì)量黑洞。

超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量通常介于百萬到百億倍太陽質(zhì)量之間，其典型值是數(shù)億倍太陽質(zhì)量。從理論上來說，黑洞的質(zhì)量都集中在中心密度無窮大的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)之外是彎曲糾纏的時(shí)空。但如果把黑洞的引力半徑看成黑洞的大小，那么質(zhì)量越大的黑洞就顯得越“虛胖”。對(duì)于十倍太陽質(zhì)量的恒星質(zhì)量黑洞，其引力半徑大約是三十公里，接近于上海崇明島的大小，非常致密且其平均密度超過中子星的物質(zhì)密度。對(duì)于1億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，其引力半徑已經(jīng)增大到太陽與地球距離的兩倍，平均密度卻僅相當(dāng)于地球上水的密度，也和太陽的平均物質(zhì)密度相當(dāng)。

目前觀測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞基本都位于星系的中心區(qū)域。我們銀河系中心就有一個(gè)大約四百萬倍太陽質(zhì)量的黑洞，在超大質(zhì)量黑洞中屬于比較小的，其引力半徑大約是日地距離的十分之一。

作為宇宙的基本結(jié)構(gòu)單元，星系是黑暗廣袤宇宙中的明亮島嶼，其中含有大量暗物質(zhì)、恒星、氣體等物質(zhì)。銀河系中大約有千億顆如太陽般因中心核聚變發(fā)光的恒星。此外，天文學(xué)家相信每個(gè)大質(zhì)量星系中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

超大質(zhì)量黑洞經(jīng)常被稱為宇宙巨獸，但這應(yīng)該不是因?yàn)樗鼈兊捏w積。對(duì)于一個(gè)典型的1億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，其引力半徑大約等于400倍的太陽半徑，僅僅只是星系中相鄰兩個(gè)恒星平均距離的十萬分之一。超大質(zhì)量黑洞之所以被稱為宇宙巨獸，主要是因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量巨大，達(dá)到百萬到百億倍太陽質(zhì)量，并且它們對(duì)星系的影響巨大。超大質(zhì)量黑洞可以主導(dǎo)比其引力半徑大千萬倍的星系中心區(qū)域的引力，產(chǎn)生的能量爆發(fā)足以深刻影響比其引力半徑大十億倍以上的星系中的氣體分布和恒星形成。

如果把星系縮小成地球大小，那么其中心的超大質(zhì)量黑洞大約只有一?；ㄉ状笮?。但這個(gè)位于“地球”中心的“小花生米”在“進(jìn)食”(吸積物質(zhì))過程中產(chǎn)生的能量爆發(fā)卻深刻影響到了整個(gè)“地球”上的氣候變化(氣體運(yùn)動(dòng))和生命成長(zhǎng)(恒星形成)。超大質(zhì)量黑洞對(duì)星系的影響，一般被稱為反饋?zhàn)饔?，是?dāng)前天文學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿方向之一。

宇宙巨獸的休眠與爆發(fā)

那么，超大質(zhì)量黑洞是怎么通過反饋機(jī)制影響到整個(gè)星系的演化呢?超大質(zhì)量黑洞因?yàn)槠鋸?qiáng)大的引力可以吸積運(yùn)動(dòng)到其附近的物質(zhì)，如氣體、恒星等。被吸積的物質(zhì)通常擁有角動(dòng)量，會(huì)環(huán)繞黑洞形成旋轉(zhuǎn)的吸積盤或比較厚的吸積流，其中一部分物質(zhì)最終會(huì)進(jìn)入黑洞。因?yàn)楹诙吹闹旅苄耘c強(qiáng)引力，黑洞吸積過程會(huì)釋放大量的引力能，轉(zhuǎn)化為被吸積物質(zhì)的動(dòng)能，其中一部分動(dòng)能會(huì)因?yàn)闅怏w間的“摩擦”或磁場(chǎng)的作用耗散為氣體內(nèi)能。黑洞吸積過程可能是已知宇宙中能量轉(zhuǎn)化效率最高的物理過程，其能量轉(zhuǎn)化率是熱核聚變能量轉(zhuǎn)化率的數(shù)十倍。

黑洞吸積過程釋放能量的方式主要有三種，包括光輻射、準(zhǔn)直性很好的噴流、和張角較大的外流。光輻射與外流可以對(duì)超大質(zhì)量黑洞的周邊環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，而噴流與強(qiáng)外流則可以傳播到星系甚至更大空間尺度上。因此，這些釋放的能量與星系內(nèi)的氣體相互作用，可能直接影響黑洞吸積流(如外流改變了黑洞吸積率)，影響了對(duì)黑洞吸積系統(tǒng)的物質(zhì)供給，甚至影響了星系中的氣體動(dòng)力學(xué)與恒星形成。

目前黑洞反饋?zhàn)饔米钪苯拥挠^測(cè)證據(jù)在星系團(tuán)中。位于星系團(tuán)中心的超大質(zhì)量黑洞在吸積物質(zhì)的過程中，釋放出強(qiáng)力的射電噴流，并在星系團(tuán)內(nèi)區(qū)產(chǎn)生半徑達(dá)數(shù)千到數(shù)十萬光年的大氣泡。這些大氣泡中含有大量在噴流中被攜帶或加速的高能粒子，產(chǎn)生可觀測(cè)的射電輻射。星系團(tuán)中含有大量能產(chǎn)生X射線輻射的熱氣體，而噴流產(chǎn)生的射電氣泡可以排開其周邊的星系團(tuán)氣體，在星系團(tuán)的X射線圖中產(chǎn)生X射線輻射明顯偏弱的空洞和激波、聲波等結(jié)構(gòu)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)黑洞噴流傳遞給星系團(tuán)氣體的能量足以彌補(bǔ)其因X射線輻射而損失的能量。

因?yàn)閺?qiáng)烈的能量釋放，處于吸積物質(zhì)階段的超大質(zhì)量黑洞可以被稱為爆發(fā)中的宇宙巨獸。相對(duì)應(yīng)的，停止吸積物質(zhì)或吸積率非常低的超大質(zhì)量黑洞可以被稱為休眠中的宇宙巨獸。黑洞因?yàn)椤斑M(jìn)食”而爆發(fā)，因此爆發(fā)中的宇宙巨獸也正在積極成長(zhǎng)中。

一個(gè)超大質(zhì)量黑洞在其成長(zhǎng)歷程中很可能經(jīng)歷了多個(gè)“爆發(fā)-休眠-爆發(fā)”的周期性輪回。在銀河系的近億顆恒星質(zhì)量黑洞中，目前僅有二十多顆因?yàn)楫a(chǎn)生X射線輻射(“爆發(fā)”)而被人類探測(cè)到，說明大部分恒星質(zhì)量黑洞在休眠中。同樣的，近鄰宇宙中的大部分超大質(zhì)量黑洞也在休眠中。我們知道宇宙一直在膨脹中，過去的宇宙中的物質(zhì)更加密集，星系中的氣體含量也更高，而超大質(zhì)量黑洞的爆發(fā)也很可能比今天的宇宙更加頻繁。

銀河系中心黑洞–人馬座A*

至今為止，超大質(zhì)量黑洞存在的最強(qiáng)證據(jù)是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞 – 人馬座A* (Sagittarius A*)。這也是離我們地球最近的超大質(zhì)量黑洞，它最早是1974年在射電波段被觀測(cè)到的，位于人馬座，后面的星號(hào)“*”主要是用來表示這是一個(gè)激動(dòng)人心(exciting)的觀測(cè)信號(hào)，在原子物理中也常被用來代表原子的激發(fā)態(tài)(excited states)。人馬座A*是事件視界望遠(yuǎn)鏡對(duì)黑洞進(jìn)行拍照的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞之一。

在人馬座A*附近，有一些大質(zhì)量恒星繞著它做開普勒運(yùn)動(dòng)。近二十多年來，德國和美國的幾個(gè)研究團(tuán)組一直在跟蹤這些恒星的運(yùn)行軌道，并由此確定在位于射電源人馬座A*的接近太陽系大小的極小空間范圍內(nèi)存在著大約四百萬倍太陽質(zhì)量的天體，按人類現(xiàn)有的知識(shí)幾乎只能用超大質(zhì)量黑洞來解釋。這是事件視界望遠(yuǎn)鏡對(duì)黑洞進(jìn)行拍照之前超大質(zhì)量黑洞存在的最好觀測(cè)證據(jù)。

近期的觀測(cè)確實(shí)找到了人馬座A*在過去曾經(jīng)經(jīng)歷過爆發(fā)期的可能證據(jù)。2010年國際十大物理事件之一是內(nèi)銀河系中費(fèi)米氣泡的發(fā)現(xiàn)。這是在高能量的伽馬射線波段發(fā)現(xiàn)的、位于銀河系中心上下的兩個(gè)巨大橢圓形氣泡。每個(gè)氣泡沿著銀河系對(duì)稱軸方向的長(zhǎng)度大約有3萬光年，和銀盤上太陽與銀河系中心的距離相當(dāng)。目前天文學(xué)界對(duì)費(fèi)米氣泡的起源還沒有定論，但最可能的應(yīng)該是起源于人馬座A*的能量爆發(fā)。筆者在2011年提出源自銀河系中心黑洞的噴流可以自然產(chǎn)生費(fèi)米氣泡，這是費(fèi)米氣泡起源于人馬座A*的第一個(gè)模型。

在我們最新的模型中，產(chǎn)生費(fèi)米氣泡的噴流發(fā)生在數(shù)百萬年前，持續(xù)了約1百萬年的時(shí)間，當(dāng)時(shí)人馬座A*的吸積率大約是每1萬年吸積大約1個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)，是當(dāng)前其吸積率的一萬倍。在更久遠(yuǎn)的過去，人馬座A*很可能還經(jīng)歷過吸積率更高的爆發(fā)期，因?yàn)檫@個(gè)吸積率尚不足以在宇宙年齡內(nèi)單靠吸積產(chǎn)生如今質(zhì)量的銀河系中心黑洞。

目前人馬座A*處于休眠期，其物質(zhì)吸積率大約只有每1億年吸積1個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)。如果人馬座A*在過去的吸積率也一直如此，那么它需要吸積400萬億年才能達(dá)到今天的質(zhì)量(400萬倍太陽質(zhì)量)，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)今宇宙的年齡(138億年)。這個(gè)論證可以說明銀河系中心黑洞在過去肯定經(jīng)歷過成長(zhǎng)很快的爆發(fā)期。

作為首次看到黑洞真身的碳基生命：人類，我個(gè)人覺得無比幸運(yùn)。不過，這僅僅是一個(gè)開始，事件視界望遠(yuǎn)鏡對(duì)M87和銀河系中心黑洞于2017年都進(jìn)行了觀測(cè)，4月10 日公布的只是其中一個(gè)，另一個(gè)的數(shù)據(jù)處理分析還在進(jìn)行中。未來的觀測(cè)更可期待，人類將以前所未有的精度嚴(yán)格檢驗(yàn)愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論，探索靠近黑洞引力半徑附近的吸積流與外流物理。(作者為中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員，博士生導(dǎo)師，“黑洞反饋與宇宙線天體物理”研究團(tuán)組首席科學(xué)家)【責(zé)任編輯/李小可】

(原標(biāo)題：見證人類第一張黑洞照片：宇宙“巨獸”露真容)

來源：新浪科技

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