2019年4月，包括中國等世界各國科學(xué)家和機(jī)構(gòu)通力合作，終于獲得了首張黑洞照片。
黑洞是一個不容易理解的概念。黑洞究竟是什么？它既然看不見，連光都無法逃脫，人類又怎么能給它拍照呢？
youtube有一個很火的視頻，上傳者李永樂老師從伽利略、開普勒的望遠(yuǎn)鏡講起，講到今天給黑洞拍照片的VLBI射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)。如果你高中物理知識還沒忘光，看完這個20分鐘的短視頻就應(yīng)該差不多弄清楚「給黑洞拍照」這件事兒了。
· 開始于2012年的EHT計(jì)劃（Event Horizen Telescope，事件視界望遠(yuǎn)鏡），是一個以觀測星系中央特大質(zhì)量黑洞為主要目標(biāo)的計(jì)劃。這次的黑洞照片算是它的第一個重大發(fā)現(xiàn)。截圖來自youtube，上傳者李永樂老師。
或許大部分人僅僅是因?yàn)檫@次的版權(quán)風(fēng)波才對黑洞產(chǎn)生好奇，但是了解它以后你會深深地為它背后的東西著迷。
專事于科普工作的NASA科學(xué)家金伯利·K.阿坎德在《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》一書中，對黑洞給予了非常通俗易懂的全面解釋。
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要了解黑洞，先從恒星開始。恒星消亡時(shí)才有可能產(chǎn)生黑洞。在宇宙中，當(dāng)巨大的氣體和塵埃云團(tuán)坍塌時(shí)，其中央形成一個熱物質(zhì)內(nèi)核，恒星由此誕生，就像我們熟知的太陽，這個誕生過程相當(dāng)漫長。沒有進(jìn)入恒星核心的其他材料可能會變成行星、小行星和其他碎屑。我們的地球就是一顆行星。
· 這幅由藝術(shù)家創(chuàng)作的插圖展示了一顆巨大的幼年恒星被布滿塵埃的環(huán)緊密環(huán)繞的景象。
當(dāng)這個為期數(shù)百萬年的誕生過程結(jié)束時(shí)，恒星就開始通過一種名為核聚變的過程燃燒，或者說發(fā)光。原子的核心被稱為原子核。核聚變是兩個原子的核心相聚或融合的過程。發(fā)生核聚變時(shí)，兩個原子核變成一個更重的原子核。與此同時(shí)，大量的能量會被釋放出來。
正是這個原子核碰撞并釋放能量的過程，為恒星提供了能量。當(dāng)我們說一顆恒星在「燃燒」，指的就是這件事。在恒星整個生命的大部分時(shí)間里，這種燃燒過程涉及氫——宇宙中最輕也是最豐富的元素——聚變成氦的過程。我們的太陽現(xiàn)在就處于這個階段。
它當(dāng)一顆恒星缺少用來在核心進(jìn)行核聚變的氫時(shí)（我們的太陽在大約50億年內(nèi)都不會出現(xiàn)這種情況），事情就變得更有意思了。隨著核心的氫燃燒殆盡，那里不再產(chǎn)生能量。這會導(dǎo)致核心的緩慢坍塌和升溫。
然而，核聚變的過程依然在持續(xù)，只是轉(zhuǎn)移到了仍然還有氫的部位。這意味著核聚變開始在核心之外富含氫的氣體層中發(fā)生，且在這個過程中為恒星提供能量。這時(shí)恒星進(jìn)入天文學(xué)家所說的「紅巨星」階段。
· 這張由藝術(shù)家創(chuàng)作的插圖展示了一顆紅巨星的特寫，它被一個充滿塵埃和氣體的圓盤圍繞著，頂部和底部還有一對噴流。
當(dāng)這一層的氫耗盡之后，紅巨星中的核聚變過程開始將新創(chuàng)造出的更重的氦原子加入進(jìn)來。隨著核聚變過程沿著元素周期表不斷前進(jìn)，這些發(fā)生融合的氦原子變成了更重的元素，直到產(chǎn)生碳。
如果恒星的大小不足以產(chǎn)生融化碳的高溫，恒星就會卡在這里。原子無法被聚變成新的原子，碳和氧開始在核心形成和聚集。隨著恒星的核心吸引越來越多的物質(zhì)，它開始升溫。這會導(dǎo)致恒星的外層向外膨脹。
紅巨星階段并不總是一個平靜和連續(xù)的過程。相反，隨著核心中的核聚變開始像耗盡汽油的汽車一樣噴濺，這顆恒星就會開始不均勻地向外噴射物質(zhì)。這一階段的恒星圖像被稱為「行星狀星云」。
· 螞蟻星云（Ant Nebula）擁有行星狀星云典型的雙極形狀。一顆類似太陽的恒星將自己的物質(zhì)從外層噴射出去，直到核心暴露出來，釋放出照亮氣體的光。這張圖片結(jié)合了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的可見光數(shù)據(jù)（綠色和紅色）以及錢德拉X射線天文臺的X射線數(shù)據(jù)（藍(lán)色）。
當(dāng)太陽進(jìn)入這個階段時(shí)——距離現(xiàn)在還有幾十億年，所以不要擔(dān)心它會膨脹。這里所講的膨脹不是膨脹一點(diǎn)，而是膨脹得非常厲害。實(shí)際上，天文學(xué)家推測當(dāng)這件事發(fā)生時(shí)，太陽會向外膨脹得非常厲害，以至于吞沒太陽系的內(nèi)行星：水星、金星，甚至地球。
然后，我們的太陽和它的同類恒星將繼續(xù)以紅巨星的狀態(tài)存在，直到再也沒有任何可以釋放的外層物質(zhì)。留下來的將是一個密度很大的小型內(nèi)核，天文學(xué)家稱之為白矮星。由于沒有可以用于燃燒的燃料，白矮星只能漂浮在太空中，散發(fā)著剩余的熱量。這個過程會持續(xù)幾十億年，然后在某個時(shí)刻，這顆恒星最終會從一塊滾燙的余燼變得冰冷黑暗。
· 這張插圖展示了一顆恒星在一生中可能的變化路徑，從一顆類似太陽的恒星（左下）變成紅巨星（中上）、行星狀星云（最右），最終成為一顆白矮星。
對于像我們的太陽一樣或者更小的恒星，變成白矮星的緩慢過程是它們漸進(jìn)而平靜的命運(yùn)，但是對于那些更大的恒星呢？簡而言之，它們不會安靜地走向死亡。那是因?yàn)樗鼈兊暮司圩儾]有因碳核聚變而停止，它們會繼續(xù)這個過程，制造出越來越重的元素，直到鐵元素被制造出來。
當(dāng)這顆恒星開始將鐵聚變在一起，它就遇到了大麻煩。這是因?yàn)楫?dāng)兩個鐵原子結(jié)合時(shí)，它們實(shí)際上吸收了能量，而不是像其他原子那樣釋放能量。這會引發(fā)失控的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致恒星冷卻，壓力陡然下降。這最終將導(dǎo)致整顆恒星的戲劇性坍塌。
當(dāng)這顆恒星坍塌到核心上時(shí)，它會反彈，將恒星的外層物質(zhì)全部拋射到太空中去。天文學(xué)家將這種爆發(fā)稱為超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)釋放出的能量如此之大，以至于它們的光芒可以蓋過整個星系?？紤]到一個星系含有數(shù)十億顆恒星，這就讓人覺得更了不起了。
當(dāng)這些大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)時(shí)，仍然會留下恒星曾經(jīng)的核心。然而，這個核心的密度現(xiàn)在更大了，因?yàn)楹诵牡奶恢痹诶^續(xù)，直到所有電子和中子都被擠在一起，就像一群人正急于穿過出口卻無處可去一樣。這個被壓縮的天體被科學(xué)家稱為中子星，它的密度是如此之大，一湯匙中子星的重量就超過10億噸。
· IC443是一個超新星遺跡，里面鑲嵌著一顆中子星（圖片中下部較亮的藍(lán)色斑點(diǎn)）。這張合成圖片中有三種不同類型的光，包括X射線（藍(lán)色）、無線電波（綠色）和可見光（紅色）。
但是當(dāng)一顆恒星的體積極為龐大時(shí)，它的命運(yùn)會比壯麗的超新星爆發(fā)并創(chuàng)造出一顆中子星更加離奇。最大的恒星會繼續(xù)坍塌，直至形成一個黑洞。當(dāng)一顆恒星坍塌成黑洞，沒有任何東西能夠從它身邊逃脫——甚至光也不能。我們之所以能了解這些極端天體的存在，是因?yàn)槲覀兛吹搅撕诙粗車奈矬w以及黑洞通過它強(qiáng)大的引力對周圍環(huán)境所產(chǎn)生的影響。
· 數(shù)百年來，科學(xué)家們一直推測，某些恒星可能會坍塌變暗，它們的引力會變得極為強(qiáng)大，以至于沒有任何東西，就連光都不能從它們身邊逃脫。這些黑暗的恒星被稱為黑洞，如這幅圖所示。由于任何類型的光都無法從黑洞逃脫，我們無法直接觀察到它們的樣子。但是有一種方法可以找到它們，那就是使用能夠探測X射線的望遠(yuǎn)鏡，尋找從旋轉(zhuǎn)向黑洞的熾熱氣旋中所散發(fā)出的高能輻射。
在很長一段時(shí)間里，黑洞一直被當(dāng)作科幻小說的噱頭，但是天文學(xué)家有確鑿的證據(jù)表明它們確實(shí)存在。實(shí)際上，我們已經(jīng)了解到許多關(guān)于黑洞的情況。黑洞在吞噬周圍物質(zhì)的時(shí)候，會形成一個旋轉(zhuǎn)的吸積盤，旋向黑洞的大量物質(zhì)會猛烈撞擊摩擦，散發(fā)出巨大的能量，這種能量電波可以為地球上的射電望遠(yuǎn)鏡所捕捉。
但單個射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度和分辨率非常有限，很難探測。此次國際合作，就是通過全球多個射電天文臺的協(xié)作，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的「虛擬」望遠(yuǎn)鏡，使其功能提高到足以拍攝銀河系中心的黑洞。
· 這張圖片描繪了一個由大質(zhì)量恒星坍塌后所形成的恒星質(zhì)量黑洞。這個黑洞將一顆大質(zhì)量藍(lán)色伴星中的物質(zhì)拽向自己。這些物質(zhì)形成了一個圓盤（用紅色和橙色表示），圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，然后落入黑洞，或者以強(qiáng)勁噴流的形式重新定向，從黑洞噴發(fā)出去。
實(shí)際上，黑洞的確是看不見的，但我們可以通過它「吃東西」時(shí)發(fā)出的光，來獲得它的相貌。此次國際合作，收集的黑洞信息是M87，即室女座A星系，它距離地球約5500萬光年，質(zhì)量約是太陽的65億倍。室女座是最大的黃道帶星座，與其他同類型的黑洞相比，我們可以更容易、更詳細(xì)地研究它。它將幫助解答人類對宇宙的疑惑，打開探索宇宙的新世界。
以上內(nèi)容綜合整理自《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》
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說實(shí)話，雖然專業(yè)研究宇宙的人很少，但是每次與宇宙相關(guān)的熱點(diǎn)新聞都能叫大家感到激動興奮。
黑洞、外星文明、新的棲息地……我們其實(shí)活在一個極小的星球上，除了瑣碎的煩惱和千篇一律的生活之外，人類其實(shí)還有更棒的事——仰望星空。
事實(shí)上，當(dāng)你真的意識到自己不僅僅是社會生物，還是宇宙生物時(shí)，很多煩惱就變得不那么難以化解了。豐富浩渺的天體知識、神秘?zé)o垠的探索空間……這些東西并不僅僅是讓你多一點(diǎn)知識，而是讓你「看」見別的。
就好像伽利略的望遠(yuǎn)鏡不僅僅看見了太陽上的黑子，而且戳破了宗教對于天穹的完美想象。與此同時(shí)，對西方人世界觀的轉(zhuǎn)變有著不可磨滅的影響。
如果你想要的不只是漂亮圖片，但也讀不懂動輒艱深的天體物理學(xué)專著，《NASA 自然百科：認(rèn)識宇宙》是最合適的選擇。它是介于天文圖冊和教科書之間的一本完美的旅行指南，是寫給千千萬萬普通大眾的宇宙通識課。
愿我們在知識中獲得一種心靈解放。
《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》
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從地球、太陽系、銀河系，到宇宙深處，跨越137億年，搜集了來自NASA哈勃、錢德拉和斯皮策三大太空望遠(yuǎn)鏡多達(dá)220幅的全波段照片。這本書獲得了哈佛大學(xué)天文學(xué)教授阿莉莎·古德曼全力推薦。
推薦理由一
側(cè)重介紹宇宙全貌與現(xiàn)狀，而不是天文學(xué)原理
對于大多數(shù)非天文學(xué)專業(yè)的人來說，學(xué)習(xí)天文學(xué)知識并不是一件很有樂趣的事情，也很難堅(jiān)持下去。在今天這個大太空時(shí)代，你雖不必懂天文學(xué)，但了解宇宙、認(rèn)識宇宙卻是十分必要的。
《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》就是這樣一本側(cè)重介紹宇宙全貌和現(xiàn)狀，而不是天文學(xué)原理的科普書。
比如，在本書中，我們不需要理解「紅移」原理究竟是什么，但能了解宇宙是膨脹的；不必懂得牛頓定律，但能了解科學(xué)家是根據(jù)牛頓定律來算天體質(zhì)量，從而得出「暗物質(zhì)」的存在結(jié)論。
本書的邏輯非常清晰，它抓住全景宇宙的主要脈絡(luò)，綱舉目張，用一本書把宇宙的整體概況和關(guān)鍵知識向我們介紹清楚。如果我們要游覽宇宙，那它就是我們的宇宙旅行指南：它從地球開始，再造訪月球和太陽，然后在太陽系的所有重要景點(diǎn)駐足。離開太陽系之后，再穿越銀河系，向宇宙更深處進(jìn)發(fā)，與或遠(yuǎn)或近的星系激情碰撞，體驗(yàn)暗物質(zhì)的引力效應(yīng)，思索神秘的宇宙暗能量。
宇宙的原理與面貌被細(xì)細(xì)鋪展。
· 和恒星一樣，許多星系會在引力的作用下聚成一團(tuán)。這個由四個星系構(gòu)成的星系團(tuán)，是?？松鍐危℉ickson catalog，該清單以20世紀(jì)80年代提出這個清單的加拿大天文學(xué)家的名字命名）中最明亮的。希克森致密星系群44（Hickson Compact Group 44）位于6000萬光年之外，使用質(zhì)量不錯的業(yè)余望遠(yuǎn)鏡就能看到。
它不僅讓我們了解宇宙全貌，并在各個主要節(jié)點(diǎn)，用人人能聽得懂的語言向我們介紹關(guān)鍵，章節(jié)后面，還設(shè)有主要知識點(diǎn)小結(jié)，用以加深印象。
推薦理由二
面向大眾，零基礎(chǔ)也得看得懂
本書采用的是通俗的寫法，用極簡的語言講述復(fù)雜的宇宙。即使是很難以理解的黑洞、暗物質(zhì)和暗能量，也做了生動的解釋和描述。
我們來體驗(yàn)下作者的通俗化寫作風(fēng)格，她是這樣描述星系的：
黑洞既然看不見，我們又是如何發(fā)現(xiàn)黑洞的呢？
數(shù)百年來，科學(xué)家們一直推測，某些恒星可能會坍塌變暗，它們的引力會變得極為強(qiáng)大，以至于沒有任何東西，就連光都不能從它們身邊逃脫。這些黑暗的恒星被稱為黑洞，如這幅圖所示。由于任何類型的光都無法從黑洞逃脫，我們無法直接觀察到它們的樣子。但是有一種方法可以找到它們，那就是使用能夠探測X射線的望遠(yuǎn)鏡，尋找從旋轉(zhuǎn)向黑洞的熾熱氣旋中所散發(fā)出的高能輻射。
同樣，暗物質(zhì)也是不發(fā)光，看不見，它又是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？
作者在書中也用簡單的語言解釋了神秘的暗能量：科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙正在以越來越快的速度在膨脹，這種以越來越快的速度分裂宇宙的神秘力量被稱為「暗能量」，有人將它對宇宙的顯著效應(yīng)將其稱為「反引力」。
推薦理由三
NASA專業(yè)的科普作家，25年沉淀之作
NASA不僅承擔(dān)美國宇宙探索的任務(wù)，也肩負(fù)面向大眾的科普任務(wù)。該書由NASA專門負(fù)責(zé)科普工作已有25年經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家金伯利·K. 阿坎德和梅甘·瓦茨克執(zhí)筆，用圖片和極簡的語言將深奧宇宙的全貌介紹給大眾，講清所有關(guān)鍵的宇宙知識點(diǎn)。
金伯利·K. 阿坎德和梅甘·瓦茨克是NASA久負(fù)盛名的科學(xué)家，兩人致力于將深奧的宇宙介紹給普通大眾，在一起合作超過 25 年。阿坎德是NASA錢德拉X射線天文臺可視化部門負(fù)責(zé)人，專業(yè)從事天文圖像及數(shù)據(jù)表達(dá)工作，并擔(dān)任對外媒體協(xié)調(diào)官。瓦茨克是該機(jī)構(gòu)的新聞發(fā)言人，主要負(fù)責(zé)天文學(xué)的大眾科普工作。
兩人的專業(yè)工作就是將深奧的天文圖像和數(shù)據(jù)，用可理解的圖示和文字清晰地表達(dá)出來，并向大眾普及。
推薦理由四
NASA獨(dú)家全波段宇宙實(shí)拍照片
本書圖文并茂，采用了NASA哈勃、錢德拉和斯皮策三大望遠(yuǎn)鏡220幅實(shí)拍照片，以及NASA其他太空飛行器和眾多地面望遠(yuǎn)鏡的珍貴照片。這些照片用整個電磁波范圍描繪了完整的宇宙全景。
光是認(rèn)識宇宙的重要工具。作者在書中還介紹的關(guān)于光和顏色的重要知識。不同顏色的光與溫度有什么關(guān)系？人類為什么需要這么多望遠(yuǎn)鏡？那些宇宙照片顏色都是假的嗎？
· 物體散發(fā)出的輻射波的波長通常與其溫度相關(guān)。
· 我們需要用不同種類的望遠(yuǎn)鏡觀看不同種類的光。這幅插圖展示了哪些種類的光會被地球的大氣層吸收。例如，X射線（右上方）會被大氣層阻擋，所以我們必須將航天器發(fā)射到相應(yīng)高度的軌道上才能研究X射線。
· 這三張圖片展示了衛(wèi)星用三種不同類型的光觀看到的整個地球——（順時(shí)針方向）紫外線、可見光，以及紅外輻射。
推薦理由五
及時(shí)呈現(xiàn)最新宇宙研究與發(fā)現(xiàn)
《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》呈現(xiàn)的是最新宇宙研究成果，有的一改我們之前的傳統(tǒng)認(rèn)識。
我們對生命有了新的認(rèn)識。過去人們通常認(rèn)為，生命，包括地球之外的宇宙生命，只能在具備液態(tài)水、氧氣、適宜的溫度條件下才能生存，然而最新的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，卻打破了這一認(rèn)知局限，大大拓展了人們對地外生命的想象空間。
生命復(fù)雜多變的程度遠(yuǎn)超出我們的想象，科學(xué)家也不應(yīng)再按照地球的標(biāo)準(zhǔn)尋找地外生命。
· NASA在加利福尼亞州莫諾湖（Mono Lake）發(fā)現(xiàn)以砷（俗稱砒霜）為食的所謂「外星細(xì)菌」，改寫了生物教科書中對生命的通常定義
冥王星為什么不再歸為行星？作者指出，隨著對宇宙新的研究進(jìn)展，人們發(fā)現(xiàn)在冥王星的軌道之外，發(fā)現(xiàn)了一條巨大的巖石帶，它可能包含數(shù)十萬個天體，被稱為柯伊伯帶（Kuiper Belt）?？乱敛畮У倪\(yùn)行軌道緊緊貼著冥王星。天文學(xué)家還在柯伊伯帶中發(fā)現(xiàn)了尺寸比冥王星還大而且和冥王星一樣靠近太陽的天體。所以這就產(chǎn)生了兩難的困境：如果將冥王星稱為行星，那就只能將 柯伊伯帶中的所有或部分天體也稱為「行星」。最終，冥王星被劃為矮行星。
推薦理由六
指出未解之謎，以及未來的探索方向
人類對宇宙的探索在不斷向前推進(jìn)，認(rèn)識得越多，發(fā)現(xiàn)所知的越少。這本書還指出了人類對宇宙尚未理解的部分和疑問。
137億年前的宇宙大爆炸之后，迅速膨脹為一具由氫和氦原子組成的超高溫的「海洋」，在這段時(shí)間里，有個時(shí)期被稱為「黑暗時(shí)代」，人類仍對此毫無所知。
· 這張圖片展示了宇宙從大爆炸開始的演化歷程。從左到右展示的自宇宙最早期直至現(xiàn)在的時(shí)間推進(jìn)?？茖W(xué)家認(rèn)為，第一批恒星是在大爆炸幾億年后形成的，第一批星系形成的時(shí)間也沒有晚太多，而我們的太陽系大約是在大爆炸90億年后形成的。
人類對于宇宙中「暗物質(zhì)」和「暗能量」的了解也還非常地少。
· 宇宙大部分是黑暗的。在宇宙中，恒星、行星和我們?nèi)祟愒谟钪嬷械谋戎刂皇锹愿哂?%，其余約96%的宇宙是由暗能量和暗物質(zhì)組成的。
伽利略的望遠(yuǎn)鏡讓星體不再完美；射電望遠(yuǎn)鏡讓人類看見了黑洞。望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)不止「看見」這一個作用，更多的，它改變了「看」的方式。
而《NASA自然百科：認(rèn)識宇宙》就是一個給我們的望遠(yuǎn)鏡。透過這個鏡筒，我們的樂趣不僅在于找到答案，還在于獲得一種視角：相信我，了解我們的宇宙后，你將更加了解人類。
