读懂黑洞的照片_风闻

导读

介绍一下你可能还不了解的，黑洞相关的几何学。

文 | 戴岚山博士

这两天，你如果对科学有些关注，一定已经读过介绍黑洞的科普文章了。本文尽量不重复你已经知道的东西，但这张看起来像劣质相机拍出来的照片，后面还有很多有趣的数学物理原理，和了不起的工程技术成就。

你以前可能见过这样的黑洞图片：

黑洞的艺术想象图

这是艺术家的想象图，想象把挡在黑洞前所有的星星和尘埃都拿走。这张图是想告诉你，黑洞中间，有一个区域，所有的东西包括光线，进去后是出不来的。这个区域的边界，叫做视界。视界看上去，像个黑色的洞。

视界的大小，跟黑洞的质量成正比。对于地球的质量，视界只有一个肉丸子那么大。也就是说要把整个地球压缩到那样小，它才会变成一个黑洞。

实际情况如何呢？我们见到照片的黑洞，来自室女座A星系，也叫M87。在世界最强的光学望远镜——哈勃望远镜下，照片是这个样子的：

哈勃望远镜拍摄的M87星系的照片

这个黑洞位于星系的中心，也是星尘最密集的地方。想一想，用望远镜看过去，能看见那个黑色的洞吗？

这个星系是一个巨型星系，质量是咱们银河系的200倍，距离5500万光年。在宇宙的尺度上，这就不算太远了。业余天文爱好者，拿小型望远镜就可以看见它。在哈勃望远镜上，还可以清晰地看到它喷出了一长串蓝色的东西。这还是天空中最强的无线电波来源之一，业余无线电爱好者喜欢追逐它。无线电波和那个喷柱，都是星系中心那个超巨型黑洞的杰作。这个黑洞，质量是太阳的几十亿倍，地球的上千万亿倍，就是在这个无比浩瀚的宇宙中，它也是很难得的了。它的视界超大，几百亿公里。

黑洞会吸住附近的尘埃极速转动，形成一个圆盘，最后彻底被吸到视界里面去。在这个过程中，物质会发射无比强大的电磁波，从无线电波到X光，各个波段都有。吸不进去的东西，会以接近光的速度，从转轴的方向喷出来。

黑洞吸积盘的想象图

上面这张图片，也是一张想象图。这个想象图，应该跟实际情况比较接近。

黑洞周边的空间弯曲

关于黑洞，你不知你是否见过这张图片？这是一个黑洞的剖面图。既然是剖面图，就应该是平的，怎么会是个曲面呢？因为黑洞周围的时空，是强烈弯曲的，一刀砍下去，得到的是一个曲面。准确地说，把这个曲面投影到平面上，就是这些点在三维空间中的坐标。但这些点之间的实际距离，要从曲面上看。可以说，黑洞是个很深的洞，走到视界的距离，比看起来长。我们知道，光线是走直线的。弯曲空间里，直线就是最短距离的线，既然里面的实际距离更长，光线就喜欢从外边绕，如下图：

黑洞周边的光线

这个现象，从物理的角度上解释，就是光线被吸引转弯了。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，引力和时空的弯曲，是一回事儿。

黑洞到底有多深，有没有底？这个问题是很烧脑的。从上面那张剖面图上看，黑洞是有底的，从外面走到视界，距离是有限的。然而这张图没有画出来另一个重要的东西：用地球人的时间来衡量，越靠近视界，时间过得越慢。两个因素综合起来，一个外面的物体，掉到黑洞里面去，虽然下落的速度越来越快，最终接近光速，但它永远只能无限接近视界，不能穿越进去。

故事还没有完，相对论中，时间是相对的。一艘宇宙飞船向黑洞飞过去，飞船上的时间，和地球上的时间是不一样的。如果飞船不被黑洞引力摧毁（它当然会被摧毁得连渣渣都不剩），飞船是可以在有限的时间内到达视界，然后穿越进去。

里面是什么？要问广义相对论的专家，他们会告诉你，视界里面还有三个宇宙。飞船沿着直径的方向进入视界后，不再沿着这个方向走了，因为这个方向现在是时间了；飞船会沿着原来的时间、视界内的直径方向走，最终到达一个真正的奇点。

笔者个人的看法，讨论视界里面是什么，没有物理意义。要问爱因斯坦的意见，他当年压根儿就不相信有黑洞这种一种坍缩下去，什么都出不来的东东，虽然这是他自己方程式的解。

回过头来说这个超巨型的黑洞，能不能把它拍出来？这个黑洞虽然大，但跟5500万光年的距离比起来，在我们天空中也是非常小的一个洞。拍出这张照片，角度的分辨率要达到百万分之一角秒的量级（角秒是1/3600度）。你的手机相机可能号称2000万像素，那是忽悠人的，它的镜头远没有这么高的分辨率。就算真有这样的分辨率，黑洞照片的分辨率也比它高差不多一亿倍！

知道这一点，你可能会对这张模模糊糊的照片有更多的尊重。

要达到这样的分辨率，镜头或天线需要满足起码的条件。光学中有一条基本原则：

角分辨率  =  波长 / 镜头或天线直径

想要高的分辨率，巨大的天线是必不可少的物理条件。

视界望远镜组织发布的黑洞照片

现在看这张黑洞照片，你应该已经知道，照片上的颜色是假的，这张照片拍摄的是黑洞吸积盘发出来的无线电波。为什么选择这个波段？从上面的分辨率公式，波长越短越容易取得高分辨率，为什么不选择波长只有1/2000分之一的可见光？有两个原因：

第一是，所有的恒星的辐射都在可见光波段，宇宙中能发射超强无线电波的天体很少。选择无线电波，挡在黑洞前面的星尘，都变得透明了。

第二点更重要：选择射频波段，我们反而可以把天线做得更大，跟地球一样大。跟地球一样大的天线，并不需要把地球覆盖，只要在这个区域中都有分布，就可以了。

两个遥远的天线，利用接收信号的时间差，分辨不同的目标

如果你是军迷，一定知道相控阵天线。相控阵天线把不同的接收单元的信号，经过芯片处理，实时得到更高分辨率的雷达图像。视界望远镜的技术，在原理上接近，他们用了分布在地球各个角落的7-8座大型的射电望远镜，相当于合成了一个和地球差不多大的天线。只不过，隔着十万八千里的天线，无法像相控阵雷达那样，利用电路取得实时图像。只好把各个天线收到的波形纪录下来，数字化，通过大型计算机进行后期处理。

用可见光，做不了这样的事情。目前所有的可见光传感器，只能记录光的亮度，无法记录波形，频率太高了。视界望远镜选择的1毫米多的波段，频率260GHz，已经差不多是目前的电子技术所能处理的最高频率了。每秒钟的数据能装满几个硬盘，最后的数据据说有一卡车硬盘，数据量太大，都不能用互联网传，只能邮寄硬盘。取数据用了一个星期，后期处理数据，用了两年。

最后，怎样解读这张照片呢？

发光的，是围绕黑洞高速旋转的的，由高温气体尘埃组成的吸积盘。这个吸积盘，和地球的方向有一个倾斜角，一侧离我们更近，一侧更远，如下图：

黑洞吸积盘的光线

首先，由于黑洞附近空间的弯曲，我们看到的黑洞，是被放大了好4-5倍的。如图所示，贴近视界的光线，被弯曲得太厉害，无法到达地球。否则，拍出这张照片就更难了。

离我们近的一侧，有一部分是挡在黑洞前面的。但光线要从那里出来，需要挣脱黑洞的强大引力，这虽然不会让光线走得更慢，但会让它损失很多能量（频率降低，或引力红移），会很暗淡。反观远端发出的光，它先接近再远离黑洞，总体不损失什么能量。

所以，我们仍然可以看到一个近乎圆形的黑洞。周边一圈光环，更亮的，是吸积盘离我们更远的那一端，暗的则是更近的。

这样的图像，早就被物理学家们，根据广义相对论计算清楚了。第一张黑洞照片，和理论预期完全符合，是广义相对论的又一次胜利，也是一项了不起的科学工程实践。