NASA科学家：黑洞既然看不见，首张照片又是怎么拍的？丨21读书

作者：21世纪经济报道来源：21世纪经济报道公众号

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04-13

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导读：2019年4月，包括中国等世界各国科学家和机构通力合作，终于获得了首张黑洞照片。黑洞是一个不容易理解的概念。黑洞究竟是什么？它既然看不见，连光都无法逃脱，人类又怎么能给它拍照呢？

专事于科普工作的NASA科学家金伯利·K.阿坎德在她的新作《NASA自然百科：认识宇宙》中，对黑洞给予了非常通俗易懂的全面解释。

来源丨本文内容综合选自《NASA自然百科：认识宇宙》

编辑丨陈思；实习生杰怡

如果你想要的不只是漂亮图片，但也不想去读艰深的天体物理学专著，这本书就是最合适的选择。

——阿莉莎·古德曼

题记

北京时间2019年4月10日晚间，事件视界望远镜（EHT）宣布了超大质量黑洞的照片。

要了解黑洞，先从恒星开始。

恒星消亡时才产生黑泂。

在宇宙中，当巨大的气体和尘埃云团坍塌时，其中央形成一个热物质内核，恒星由此诞生，就像我们熟知的太阳，这个诞生过程相当漫长。没有进入恒星核心的其他材料可能会变成行星、小行星和其他碎屑。我们的地球就是一颗行星。

图注：这幅由艺术家创作的插图展示了一颗巨大的幼年恒星被布满尘埃的环紧密环绕的景象。

当这个为期数百万年的诞生过程结束时，恒星就开始通过一种名为核聚变的过程燃烧，或者说发光。原子的核心被称为原子核。核聚变是两个原子的核心相聚或融合的过程。发生核聚变时，两个原子核变成一个更重的原子核。与此同时，大量的能量会被释放出来。

正是这个原子核碰撞并释放能量的过程，为恒星提供了能量。当我们说一颗恒星在“燃烧”，指的就是这件事。在恒星整个生命的大部分时间里，这种燃烧过程涉及氢——宇宙中最轻也是最丰富的元素——聚变成氦的过程。我们的太阳现在就处于这个阶段。

它当一颗恒星缺少用来在核心进行核聚变的氢时（我们的太阳在大约50亿年内都不会出现这种情况），事情就变得更有意思了。随着核心的氢燃烧殆尽，那里不再产生能量。这会导致核心的缓慢坍塌和升温。

然而，核聚变的过程依然在持续，只是转移到了仍然还有氢的部位。这意味着核聚变开始在核心之外富含氢的气体层中发生，且在这个过程中为恒星提供能量。这时恒星进入天文学家所说的“红巨星”阶段。

图注：这张由艺术家创作的插图展示了一颗红巨星的特写，它被一个充满尘埃和气体的圆盘围绕着，顶部和底部还有一对喷流。

当这一层的氢耗尽之后，红巨星中的核聚变过程开始将新创造出的更重的氦原子加入进来。随着核聚变过程沿着元素周期表不断前进，这些发生融合的氦原子变成了更重的元素，直到产生碳。

如果恒星的大小不足以产生融化碳的高温，恒星就会卡在这里。原子无法被聚变成新的原子，碳和氧开始在核心形成和聚集。随着恒星的核心吸引越来越多的物质，它开始升温。这会导致恒星的外层向外膨胀。

红巨星阶段并不总是一个平静和连续的过程。相反，随着核心中的核聚变开始像耗尽汽油的汽车一样喷溅，这颗恒星就会开始不均匀地向外喷射物质。这一阶段的恒星图像被称为“行星状星云”。

图注：蚂蚁星云（Ant Nebula）拥有行星状星云典型的双极形状。一颗类似太阳的恒星将自己的物质从外层喷射出去，直到核心暴露出来，释放出照亮气体的光。这张图片结合了哈勃太空望远镜的可见光数据（绿色和红色）以及钱德拉X射线天文台的X射线数据（蓝色）。

当太阳进入这个阶段时——距离现在还有几十亿年，所以不要担心它会膨胀。这里所讲的膨胀不是膨胀一点，而是膨胀得非常厉害。实际上，天文学家推测当这件事发生时，太阳会向外膨胀得非常厉害，以至于吞没太阳系的内行星：水星、金星，甚至地球。

然后，我们的太阳和它的同类恒星将继续以红巨星的状态存在，直到再也没有任何可以释放的外层物质。留下来的将是一个密度很大的小型内核，天文学家称之为白矮星。由于没有可以用于燃烧的燃料，白矮星只能漂浮在太空中，散发着剩余的热量。这个过程会持续几十亿年，然后在某个时刻，这颗恒星最终会从一块滚烫的余烬变得冰冷黑暗。

图注：这张插图展示了一颗恒星在一生中可能的变化路径，从一颗类似太阳的恒星（左下）变成红巨星（中上）、行星状星云（最右），最终成为一颗白矮星。

对于像我们的太阳一样或者更小的恒星，变成白矮星的缓慢过程是它们渐进而平静的命运，但是对于那些更大的恒星呢？简而言之，它们不会安静地走向死亡。那是因为它们的核聚变并没有因碳核聚变而停止，它们会继续这个过程，制造出越来越重的元素，直到铁元素被制造出来。

当这颗恒星开始将铁聚变在一起，它就遇到了大麻烦。这是因为当两个铁原子结合时，它们实际上吸收了能量，而不是像其他原子那样释放能量。这会引发失控的连锁反应，导致恒星冷却，压力陡然下降。这最终将导致整颗恒星的戏剧性坍塌。

当这颗恒星坍塌到核心上时，它会反弹，将恒星的外层物质全部抛射到太空中去。天文学家将这种爆发称为超新星爆发。超新星爆发释放出的能量如此之大，以至于它们的光芒可以盖过整个星系。考虑到一个星系含有数十亿颗恒星，这就让人觉得更了不起了。

当这些大质量恒星经历超新星爆发时，仍然会留下恒星曾经的核心。然而，这个核心的密度现在更大了，因为核心的坍塌一直在继续，直到所有电子和中子都被挤在一起，就像一群人正急于穿过出口却无处可去一样。这个被压缩的天体被科学家称为中子星，它的密度是如此之大，一汤匙中子星的重量就超过10亿吨。

图注：IC443是一个超新星遗迹，里面镶嵌着一颗中子星（图片中下部较亮的蓝色斑点）。这张合成图片中有三种不同类型的光，包括X射线（蓝色）、无线电波（绿色）和可见光（红色）。

但是当一颗恒星的体积极为庞大时，它的命运会比壮丽的超新星爆发并创造出一颗中子星更加离奇。最大的恒星会继续坍塌，直至形成一个黑洞。当一颗恒星坍塌成黑洞，没有任何东西能够从它身边逃脱——甚至光也不能。

我们之所以能了解这些极端天体的存在，是因为我们看到了黑洞周围的物体以及黑洞通过它强大的引力对周围环境所产生的影响。

图注：数百年来，科学家们一直推测，某些恒星可能会坍塌变暗，它们的引力会变得极为强大，以至于没有任何东西，就连光都不能从它们身边逃脱。这些黑暗的恒星被称为黑洞，如这幅图所示。由于任何类型的光都无法从黑洞逃脱，我们无法直接观察到它们的样子。但是有一种方法可以找到它们，那就是使用能够探测X射线的望远镜，寻找从旋转向黑洞的炽热气旋中所散发出的高能辐射。

在很长一段时间里，黑洞一直被当作科幻小说的噱头，但是天文学家有确凿的证据表明它们确实存在。实际上，我们已经了解到许多关于黑洞的情况。黑洞在吞噬周围物质的时候，会形成一个旋转的吸积盘，旋向黑洞的大量物质会猛烈撞击摩擦，散发出巨大的能量，这种能量电波可以为地球上的射电望远镜所捕捉。

但单个射电望远镜灵敏度和分辨率非常有限，很难探测。此次国际合作，就是通过全球多个射电天文台的协作，构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜，使其功能提高到足以拍摄银河系中心的黑洞。

图注：这张图片描绘了一个由大质量恒星坍塌后所形成的恒星质量黑洞。这个黑洞将一颗大质量蓝色伴星中的物质拽向自己。这些物质形成了一个圆盘（用红色和橙色表示），围绕黑洞旋转，然后落入黑洞，或者以强劲喷流的形式重新定向，从黑洞喷发出去。

实际上，黑洞的确是看不见的，但我们可以通过它“吃东西”时发出的光，来获得它的相貌。此次国际合作，收集的黑洞信息是M87，即室女座A星系，它距离地球约5500万光年，质量约是太阳的65亿倍。室女座是最大的黄道带星座，与其他同类型的黑洞相比，我们可以更容易、更详细地研究它。它将帮助解答人类对宇宙的疑惑，打开探索宇宙的新世界。