科学,黑洞|满怀期待，第一张黑洞视界照片！科学|黑洞

我们从未见过黑洞视界的照片。基于已知，我们还有对照片有很多期望。
几百年来，物理学家们一直都在假设宇宙中应该有黑洞存在。如果足够多的物质聚集到足够小的空间中，引力就会强大到宇宙中没有任何粒子，反粒子，甚至连光都无法逃脱。它们是根据牛顿和爱因斯坦的引力理论预测出的，天体物理学家经过观察选中了许多物体，它们被认为是潜在的黑洞。
但我们以前从未见过视界:这是黑洞特有的特征，是任何东西都无法逃脱的黑暗区域。2019年4月10日，视界望远镜合作项目将发布有史以来第一张视界图像。在这一重大发现前夕，我们的所知如下。

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银河系中心的黑洞，以及白色所示视界的实际尺寸。黑暗的视觉范围是视界本身大小的250-300% 。图源：UTE KRAUS, KRAUS物理教育集团, 希尔德斯海姆大学; 背景: AXEL MELLINGER
黑洞是我们宇宙中由于速度极限的存在而不可避免地结果，至少理论上是这样。爱因斯坦的广义相对论，不仅将时空的结构与宇宙中存在的物质和能量联系起来，也包含了物质和能量如何在时空中运动的内在关系。你在空间中运动的越快，时间的流动就越慢，反之亦然。
但空间中的运动与一个常数有关：光速。在广义相对论中，预测视界的物理尺寸，也就是任何东西都无法逃脱区域的大小，是由黑洞的质量和光速决定的。如果光速更快或更慢，视界的预测大小就会分别减小或增大。如果光的速度无穷大，那根本就不会存在视界。

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LIGO和Virgo发现了新的黑洞群体，它们的质量比之前用X射线研究发现黑洞的质量（紫色）要大得多。图片展示了通过LIGO/Virgo探测到的全部十个确定的黑洞合并（蓝色），以及观测到的中子星间的合并（橙色）。LIGO/Virgo ，随着灵敏度的提升，从这个4月开始，应该每周都能检测到多个合并。图源：LIGO/VIRGO/西北大学/ FRANK ELAVSKY 。
【LIGO指Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 即激光干涉引力波观测台。Virgo是一台由6个国家的20个实验室共同设计、建造和操作的引力波干涉仪。】
从天体物理学的角度来看，黑洞的形成非常容易。单在我们的银河系中，就应该有数以亿计的黑洞。目前，我们认为黑洞的形成机制有三种，但可能有更多。
1. 一颗大质量恒星的死亡，它的核心比我们的太阳重得多，富含重元素，在自己的引力下坍缩。当向外的压力不足以抵消向内的重力时，内核会发生爆缩。由此产生的超新星爆炸会在其中心产生黑洞。

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哈勃望远镜拍摄的可视/近红外照片显示一颗大质量恒星，大约是太阳质量的25倍，几乎在眨眼间就消失了，但并没有超新星产生。直接坍缩是唯一合理的解释。图源：美国宇航局/欧洲航天局/C. KOCHANEK (俄亥俄州立大学)
2.大量物质的直接坍塌，这些物质可能来自恒星也可能来自气体云。如果足够多的物质同时存在于空间的同一位置上，就可以直接产生一个黑洞，而不需要超新星或类似的灾变来触发它的产生。
3. 两个中子恒星的碰撞，这是除黑洞之外密度最大，质量最大的物体。如果通过吸积或者（更常见的）合并在其中一颗中子星上增加足够的重量，就会产生黑洞。分页标题

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两颗正在合并中子星的想象图。图中的时空涟漪代表碰撞释放出的引力波，而这些狭窄的光束代表引力波释放几秒后伽马射线喷流（也就是天文学家探测到的伽马射线暴）。2017年观测到中子星合并的结果就是黑洞形成。图源：美国国家科学基金会/ LIGO / 索诺马州立大学/ A. SIMONNET
宇宙中已经形成的恒星中，有0.1%多一点最终会以这种形式变成黑洞。其中一些黑洞的质量只有太阳的几倍;其他的可以是它的数百倍甚至数千倍
但质量更大的恒星会和那些超大质量物体一样，当它们经过像星团和星系这样质量的引力集合时：它们会通过质量层化的天文学过程，被吸入引力中心。当多个物体聚集在一个引力势阱中时，较轻的物体往往会获得更多的动量并可能被弹射出去，而较大的物体则会失去角动量并聚集在中心。在那里，它们可以吸积物质，合并，增长，最终成为我们如今在星系中心发现的超大质量怪兽。

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银河系中心的超大质量黑洞，人马座A* ，当物质被吞噬时，就会发出明亮的X射线。在其他波长的光线中，从红外线到无线电，我们可以看到星系最内部的单个恒星。图源：X射线: 美国宇航局/马萨诸塞大学/D.WANG ET AL., 红外线: 美国宇航局/太空望远镜科学研究所。
此外，黑洞并非孤立存在，它存在于空间本身的混乱环境中，其充满了各种类型的物质。当物质接近黑洞时，会受到潮汐力的作用。任何物体靠近黑洞的部分都会受到比远离黑洞的部分更大的引力，而任意一侧凸起的部分都会感受到向物体中心的挤压。
总而言之，这会产生朝一个方向的一组拉伸力和其垂直方向上的一组压缩力，导致物体变得像意大利面条一样。这个物体将被撕裂成组成它的粒子。由于大量的物理特性和力学在起作用，这将导致物质聚集在黑洞周围形成盘状:吸积盘。

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图示是一个活跃的黑洞，它吸积物质，并加速其中一部分形成向外的两个垂直喷流，这张图片形象地描绘了类星体如何工作。落入黑洞的物质，无论其种类如何，都将导致黑洞的质量和尺寸的额外增长。尽管存在各种各样的误解，但是黑洞并不是把物质吸到自己本身的视界以内，而是物质在接近视界一定程度的时候，黑洞的视界会扩大，就把物质给包含进去了。图源：MARK A. GARLICK
形成吸积盘的粒子是带点的，它们围绕黑洞周围的轨道运动。当带点粒子运动是，它们会产生电磁场，而电磁场反过来会使带电粒子加速。这会导致一系列可观测现象，包括：
发射的光子频率遍布整个电磁波谱，特别是无线电频率，
当物质落入黑洞时，在产生的较高能量中(例如在X射线中)会出现耀斑。
物质与反物质被加速形成与吸积盘垂直的喷射流。
所有这些现象都在不同质量和定向的黑洞上被观测到，这进一步证实了它们的存在。

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在银河系中心的超大质量黑洞附近探测到了大量恒星。除了我们已经发现的恒星、气体和尘埃意外，我们预计在距离人马座A*只有几光年的距离内就会有超过10,000个黑洞，但直到2018年早些时候，要探测它们都十分困难。确认中心黑洞是一项只有视界望远镜才能完成的任务，它还可能探测到黑洞随时间的运动。图源：S. SAKAI / A. GHEZ / W·M·凯克天文台 / 加州大学洛杉矶分校银河中心组分页标题
此外，我们还观察了候选黑洞周围个别恒星以及恒星残骸的运动，它们似乎是围绕着大质量物体运动，这种物体除了黑洞以外没有别的解释。例如，在银河系中心，我们观察了许多围绕着被称为人马座A*的物体运行的恒星，据推测，它的质量相当于400万个太阳，并发射耀斑和无线电波，还显示出正电子(反物质的一种形式)被垂直喷射到银道面上的特征。
其他的黑洞也有许多相同的特征，例如M87星系中心的超大质量黑洞，据估计它的质量相当于66亿个太阳。

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三张图片展示了M87星系中心，地球上所见的第二大黑洞。尽管它的质量相当于66亿个太阳，它离我们的距离是人马座A*的两千倍。视界望远镜不一定可以确认到它，但如果宇宙足够仁慈的话，我们不仅可以得到它的图象，还可以得知X-射线发射能否为我们提供对黑洞质量的准确预测。图源：上方图片，可视图象，哈勃空间望远镜/美国宇航局/Wikisky;下方左边图片，无线电图像，美国国家射电天文台/超大射电望远镜阵列(VLA)；下方右边图片， X射线图象，美国宇航局/钱德拉X射线望远镜。
最后,我们已经看到许多其他观测特征，例如直接探测到相互盘旋和合并的黑洞产生的引力波，直接坍缩事件和中子星合并导致黑洞的产生，以及被认为由质量和定向不同的黑洞引起的类星体、亮星和微类星体的亮度变化。
有了视界望远镜的重大发现，我们有充分的理由相信黑洞的存在，它们符合广义相对论，并被物质包围，这些物质加速并释放辐射，我们应该能够检测到。

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活跃星系核的想象图。吸积盘中心的超大质量黑洞向太空喷射出狭窄的高能量物质喷流，喷流与吸积盘垂直。一颗四十光年外的耀变体发射出很多最高能量宇宙射线和中微子。只有黑洞外部的物质能逃离黑洞；视界内部的物质则无法逃脱。图源：德国电子同步加速器研究所, 科学交流实验室。
视界望远镜的最大进步就是观测到视界本身。在那个区域内，不该观测到任何物质以及辐射。这个望远镜应该观测到黑洞固有的一些微妙效应，包括最内部的圆形轨道大小应该是视界的三倍，以及由于被加速物质的存在，视界周围应该会发出辐射。
黑洞视界的第一张照片应该可以回答很多问题，你可以看看我们可能会从中学到什么。但最大的进步在于：它会以一种全新的方式来验证广义相对论的预测。如果我们对引力的理解需要在接近黑洞时进行修正，这次的观测会为我们指明方向。

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到目前为止， 2018年初，两种可能成功地匹配视界望远镜数据的模型。两者都显示了一个偏离中心且不对称的视界，视界比史瓦西半径更大，与爱因斯坦广义相对论中的预测一致。全图尚未向公众公布，但预计将于2019年4月10日发布。图源：R.-S. LU 等人，天体物理学杂志859卷。
数百年来，人类一直期待着黑洞的存在。在我们的一生中，我们收集了一整套证据，不仅证明了它们的存在，而且证明了它们预期的理论性质与我们所观察到的惊人地一致。但也许这当中最重要的预测，也就是关于视界的存在和性质的预测，则并没有直接被证实过。
在全世界数以百计望远镜的实时观测下，基于实际数据，科学家们已经完成了地球角度观察到最大黑洞的重构图像：银河系中心400万倍太阳质量的怪兽。我们在4月10日所见要么会进一步证实广义相对论，要么会颠覆我们对引力的认知。全世界都满怀期待。分页标题
FY:超凡泰迪熊
作者：Ethan Siegel
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