整理 | 平章 喬喬
出品 | 網(wǎng)易科技《知否》欄目組（公眾號：tech_163）
4月10日，人類歷史上第一張黑洞照片被公布。
關于黑洞，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系。中國古代就有記錄，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，那顆星星是因為“體重”超標，在自身重力的作用下自己塌陷了，同時伴隨著強烈的輻射，我們才看到它發(fā)出的很亮的光。
2、對黑洞的研究始于何時？
一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，將時間和空間結合為一個四維的時空，并提出引力可視為時空的扭曲。這一理論做出了不少重要預言，其中之一便是：當一個物體的質(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“勢力范圍”內(nèi)，引力強大到連光都無法逃脫。
1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質(zhì)集中于空間一點，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點周圍存在一個界面——“視界”一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種“不可思議的天體”被美國物理學家約翰·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，角動量，電荷劃分，可以將黑洞分為四類。
（Ⅰ）不旋轉不帶電荷的黑洞
（Ⅱ）不旋轉帶電黑洞
（Ⅲ）旋轉不帶電黑洞
（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，很多人在激動興奮的同時又有些疑惑？說好的是黑洞，為啥照片是紅色的？其實，拍黑洞的望遠鏡收集到的不是日常的可見光，而是一種波長更長的亞毫米波，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)在的亞毫米望遠鏡基線已經(jīng)達到了1萬公里，但空間分辨率剛達到黑洞視界面的尺寸，所以在科學家們觀測的有限區(qū)域內(nèi)，就相當于只有有限的幾個像素。在真實的情況下，我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。
6、此次拍攝的是哪個黑洞？
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，一個國際合作的天文項目（Event Horizon Telescope，EHT）開始對兩個特殊天體進行觀測：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。觀測的目標不是常規(guī)的天體，而是兩個疑似的超大質(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？首先望遠鏡觀測到的數(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)境當中，其運動有著非常多的不確定性；同時，我們的科學家非常嚴謹，在最終數(shù)據(jù)處理的時候，科學家們在兩個不同的地方分別處理、分別驗證。這樣算下來，就花費了不少時間。
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”，是因為它可以吞噬臨近區(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，組成一個盤狀結構，叫“吸積盤”。吸積盤內(nèi)的物質(zhì)圍繞黑洞高速旋轉，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處被我們探測到。
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“事件視界望遠鏡”是個什么神器？
天文學家為了觀測黑洞視界邊緣上的物理過程，動用了分布在全球的8座毫米/亞毫米波射電望遠鏡，這些望遠鏡組成了一個虛擬的，口徑接近整個地球的望遠鏡，這座虛擬的望遠鏡，稱為“事件視界望遠鏡”。
在這8座射電望遠鏡當中，要數(shù)阿塔卡馬大型毫米波陣(ALMA）最為強大！ ALMA造價達14億美元，是目前最為昂貴的地基望遠鏡之一。如果沒有ALMA的加盟，觀測黑洞的視界簡直是不能完成的任務。
10、為啥只有“事件視界望遠鏡”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，光學波段的望遠鏡無能為力，只能采用射電波段。毫米波已經(jīng)是射電望遠鏡所用波長的下限，在電磁波譜上已經(jīng)與紅外線接壤。為了能夠觀測到黑洞視界上的物質(zhì)行為，事件視界望遠鏡已經(jīng)把射電望遠鏡的分辨率提高到了前所未有的高度，到了10到20個微角秒的程度！這相當于看清4000公里外硬幣上的發(fā)行日期。也就是說事件視界望遠鏡的分辨率是哈勃望遠鏡的數(shù)千倍。
11、“事件視界望遠鏡”可以給所有黑洞拍照嗎？
“事件視界望遠鏡”利用的是一種叫“甚長基線干涉測量”（VLBI）的技術。它允許用多個天文望遠鏡同時觀測一個天體，模擬一個大小相當于望遠鏡之間最大間隔距離的巨型望遠鏡的觀測效果。
甚長基線干涉觀測的分辨率是其它任何望遠鏡所無法比擬的，最有顯示度的觀測成果是對超大質(zhì)量黑洞候選體的觀測研究，這是因為黑洞的尺度非常小。目前VLBA觀測最成功的有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較近的黑洞進行觀測，而非要舍近求遠選擇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？這是因為這些恒星級黑洞的質(zhì)量太小，直徑相對也較小，因此從地球上看去，張角反而不如較遠距離的超大質(zhì)量黑洞大。
13、中國科學家在黑洞照片拍攝過程中做出了哪些貢獻？
我國科學家長期關注高分辨率黑洞成像研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次EHT合作中，中國科學家在早期共同推動了EHT的合作并參與了EHT望遠鏡觀測時間的申請，同時協(xié)助JCMT望遠鏡開展觀測并參與數(shù)據(jù)處理和結果理論分析等，為EHT黑洞成像做出了積極的貢獻。
14、黑洞這么“貪吃”，它真的能裝下這么多東西？
1974年，物理學家史蒂芬·霍金提出了黑洞的輻射理論，即霍金輻射。根據(jù)這個理論，黑洞會通過霍金輻射損失一部分質(zhì)量和能量。
雖然霍金輻射會讓黑洞“冒汗”，但是消耗的量遠遠比不上它們貪吃的量，所以也就根本無法減肥。
事實上，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中心為黑色的明亮環(huán)狀結構，看上去有點像甜甜圈，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的吸積盤。
廣義相對論預言，由于黑洞的存在，我們將會看到中心區(qū)域存在一個由于黑洞視界而形成的陰影，其周圍環(huán)繞一個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．黑洞研究對科學的發(fā)展有啥意義呢？
科學家說了，對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和引力理論的關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，只是很多人對這個感興趣，而很多東西我們又還不理解，所以進行研究。至于弄清楚后，能否實現(xiàn)時空旅行等人類美好的愿望，就是應用問題了。
17．黑洞是如何被看見的？
事件視界望遠鏡由位于四大洲的8臺射電望遠鏡所組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠鏡的“基線”，由此構成了一架和地球大小相當?shù)耐h鏡。
它們北至西班牙，南至南極，向選定的目標（兩年前視界面望遠鏡選定了兩個觀測目標，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，其實就是得到黑洞周圍輻射的空間分布圖。
對于我們?nèi)粘＝佑|的光學照片來說，它反映的是光學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。
盡管是在單個頻率進行亞毫米波段觀測，但因為黑洞周圍不同區(qū)域的光子所產(chǎn)生的輻射強度不同，我們于是可以得到一個光子強度分布圖，然后我們假定不同的強度對應著不同的顏色，就能夠得到一幅“偽色圖”——圖中的顏色很可能是科學家根據(jù)個人喜好自行設定的顏色。
18．黑洞從未被觀測到，是如何被證明真的存在的？
黑洞無法直接觀測，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測到它對其他事物的影響。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。推測出黑洞的存在也可借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行軌跡取得位置以及質(zhì)量。
19．黑洞照片對于驗證相對論、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了黑洞的存在，同時也通過模擬觀測數(shù)據(jù)對愛因斯坦的廣義相對論做出了驗證。在視界面望遠鏡的工作過程和后來的數(shù)據(jù)分析過程中，科學家們發(fā)現(xiàn)，所觀測到的黑洞陰影和相對論所預言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。
另外一個重要意義在于，科學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M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個獨立的測量。在此之前，精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復雜。
受限于觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運動、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機制，完善我們對于星系演化的認知與理解。
20．是誰首次想象出黑洞的樣子？
在沒能一睹黑洞真容的歲月里，科學家通過計算了解黑洞的“樣貌”。
早在上世紀10年代后期，大數(shù)學家希爾伯特（David Hilbert）就計算了黑洞周圍的光線彎曲和引力透鏡效應。
70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet等人計算出了黑洞的圖像。
90年代后期，Heino Falcke等人針對銀河系中心黑洞的情況做了詳細計算，并引入了黑洞陰影的說法。他們同時指出，該黑洞陰影若是“鑲嵌”在周圍明亮的，光學薄（即對某一觀測波長透明）的熱氣體中，就可以被（亞）毫米波甚長基線干涉測量技術“看到”。
此后，人們利用廣義相對論磁流體動力學數(shù)值模擬，針對黑洞成像開展了大量研究，均預言黑洞陰影的存在。因此，對黑洞的陰影的成像提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。
21．黑洞最終的命運是什么？
黑洞的未來只有一個方向：宏觀黑洞會繼續(xù)吞噬能夠遇到的任何物質(zhì)和能量，長得越來越大；然而在體積越來越大的同時，它們的平均密度會越來越小，也就是說它們會變得越來越虛胖。
22. 如果人類掉進黑洞會怎么樣？
黑洞里面仍然有時間和空間，有可能黑洞真的是長生不老，而且會長得越來越大，越來越胖。
接下來是開腦洞時間：如果宇航員駕駛一艘非常結實、不會被引力壓壞的飛船進入黑洞，會發(fā)生什么呢？科學家會嚴肅地告訴你：首先，飛船是否結實不是關鍵，宇航員自己是否結實才是最關鍵的。
事實上，一旦“掉”進黑洞，宇航員會感受到沿著下落方向的巨大拉伸力，估計就像是一個人被沿著頭和腳的方向用力拉扯吧！如果他進入的黑洞的質(zhì)量比較小，宇航員會被“扯”成面條。如果他進入的黑洞質(zhì)量很大，開始進去時他可能不會有太多的感覺。但是進去之后就會一直往黑洞的中心奇異點落去，直至最后粉身碎骨，
至于接下來會發(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，它看上去會像是一個黑色的球面。
有些人把黑洞想象成一個圈或者是管道狀的?！肮艿馈笔窃诮忉屢臻g的彎曲中經(jīng)常所用的圖釋，這時坍縮的3維空間被簡化成了2維空間?？臻g被想象成了一張床單，大質(zhì)量天體對空間的彎曲就和把一個保齡球放在床單上的效果一樣。但空間不是2維，是3維的（如果算上時間就是4維的），因此這個解釋就會讓人們對黑洞視界的形狀產(chǎn)生誤解。
24、黑洞會轉動嗎？
黑洞確實會轉動。恒星會自轉，它的核心也會轉動。當恒星的核心坍縮地越來越小時，它的自轉就會越來越快。這就像花樣滑冰運動員通過收回張開的手臂來加快自身的轉速一樣。如果核的質(zhì)量不足以形成黑洞，它就會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，它們自轉的速度非常快，有時甚至可以達到每秒鐘100圈。
25.黑洞總是黑的嗎？
很少有物質(zhì)會直接掉入黑洞進而消失。稍有偏差，它們就會繞著黑洞轉動。隨著物質(zhì)的增多，它們就會在黑洞周圍聚集起來。這些物質(zhì)高速轉動產(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.黑洞會繼續(xù)變大嗎？
當兩個黑洞碰撞的時候會發(fā)生什么？它們會形成一個更大的黑洞。類似地，黑洞吞食其他物質(zhì)也會長大。在早期宇宙中當星系正在形成時，嬰兒星系核心處的物質(zhì)會坍縮成一個質(zhì)量極大的黑洞。隨著越來越多的物質(zhì)掉入其中，黑洞會貪婪地消化它們進而生長。最終它會長成一個超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量達到太陽的數(shù)百萬甚至數(shù)十億倍。
27、黑洞的密度竟然堪比空氣？
這一點確實出乎意料，但事實確實如此。
一個普通的黑洞質(zhì)量通常為太陽的3倍，視界的半徑為9千米，此時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，其密度就會減少到原來的1/4；質(zhì)量增大10倍，密度就會減少100倍。對于一個在星系團中常見的、10億個太陽質(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。
