天文学家捕获首张黑洞照片！“事件视界望远镜”项目于2019年4月10日在全球多地同时召开新闻发布会，发布人类第一次拍到的黑洞照片。
宇宙黑洞探秘
人类史上首张黑洞照片2019年4月10日问世
据“事件视界望远镜”(EHT)项目官网发布的消息，美国东部时间10日9时(北京时间10日21时)，在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京将同时召开新闻发布会，以英语、汉语、西班牙语、丹麦语和日语发布“事件视界望远镜”的第一项重大成果。
据介绍，此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，其距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。该图像的许多特征与爱因斯坦广义相对论的预言完全相一致，在强引力极端环境下进一步验证了广义相对论。通过研究这个图像，人类将揭示出黑洞这类天体更多本质。
事件视界望远镜项目合作由13个合作机构组成，中国科学院天文大科学中心(CAMS) 是其中之一。CAMS由中国科学院国家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立，其中上海天文台牵头组织协调国内学者参与了此次合作。
这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。
爱因斯坦（1879.3.14-1955.4.18）
另外一个重要意义在于，科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前，精确测量黑洞质量的手段非常复杂。
黑洞探索的十个时间
①1783年，英国科学家约翰·米歇尔提出了牛顿版的黑洞存在说。根据他的计算，当恒星的质量大到一定程度时，其巨大的引力使得光也无法从中逃逸，因而它是不可见的。
②1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了狭义相对论，摒弃了牛顿绝对空间和绝对时间的观念。
③1907年，数学家赫尔曼·闵科夫斯基指出，爱因斯坦的狭义相对论已将时间变成了第四维度，把时间和空间合并成了一个单一的绝对实体——时空。
④1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论，成功地把相对论扩展到其他类型的运动，特别是强引力场中的运动。引力现在被看成是质量对弹性时空的影响，物体沿着时空的凹陷运动。
⑤1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西发表了第一个广义相对论方程的完全解。这个结果导致了史瓦西球体的出现，物质在球体中心被压缩为一个点。在球体的表面，时间和空间似乎停滞了。这个版本的黑洞不带电荷、也不旋转。一些人认为它是使用了坐标系后才出现的人造物，有些人则坚信，恒星永远不会被压缩到这样一个状态。
⑥1916年，前往西非和巴西的英国日全食观测队证实，星光在经过太阳附近时，其路径确实变弯了。根据广义相对论，这是星光沿着太阳在时空中造成的凹陷运动的结果。广义相对论取得了胜利。
⑦20世纪60年代早期，加州利弗莫尔国家实验室进行的计算机模拟实验表明，质量足够大的恒星在其生命的末期会坍缩为黑洞。苏联科学家也得出了类似的结果。
⑧1967年，约翰·惠勒在美国科学促进年会上所做的主题发言中使用了“黑洞”这个词，来描述引力坍缩体。依据他的发言写成的论文于次年发表后，科学界开始把这个词语作为该物体的正式名称。
⑨1971年，基于X射线探测卫星乌呼鲁获取的数据，一个非典型射电源——天鹅座X-1，被暂定为黑洞，这是宇宙中发现的第一个黑洞。
⑩2005年，由中国科学院上海天文台沈志强研究员领衔的国际天文研究小组，首次将银河系中心的超大质量黑洞“定位”在1.5亿公里直径的区域内。沈志强研究小组为“人马座A*”锁定的区域直径，和地球轨道的半径相当，以往最精细的观测结果也是它的一倍，这也就意味着：黑洞的“搜索范围”至少缩小了一半！
你对黑洞了解多少？
照片“冲洗”用了约两年
卢米涅绘出黑洞事件视界的第一幅图像40余年后，人类将首次目睹黑洞的“真容”。
2017年4月，EHT项目启动。
EHT通过“甚长基线干涉技术”(VLBI) 和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——事件视界望远镜。
此前，该项目宣布，用这一虚拟望远镜“拍照”的重点对象是两个黑洞，一个是位于银河系中心的“人马座A*”，另一个位于代号为M87的超巨椭圆星系中心。
据媒体报道，EHT的“八只眼睛”位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极，这8个射电望远镜有单镜、也有望远镜阵列。它们向选定的目标撒出一条大网，捞回海量数据，勾勒出黑洞的模样。
此外，EHT项目是由全球200多位科研人员共同达成的重大国际合作计划。值得一提的是，包括中国科学院上海天文台在内的一些国内机构也参与了此次国际合作。
据介绍，黑洞照片的“冲洗”用了约两年时间。
史瓦西论黑洞
黑洞的观念一开始是从理论上算出来的。1915年，爱因斯坦发表广义相对论，几个月后德国的物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在爱因斯坦的重力场方程式中，找到一个精确解。史瓦西的精确解导出所谓的史瓦西半径，也就是一个不旋转且不带电的黑洞大小，在这个黑洞半径内，任何东西都无法逃脱，包括光。
史瓦西（德国物理学家 1873.10.9-1916.5.11）
史瓦西把他的计算结果寄给爱因斯坦，爱因斯坦非常的惊讶，因为当时爱因斯坦本人只算出近似解，爱因斯坦用这个近似解成功解释水星的近日点进动。更让人佩服的是，史瓦西当时深受病痛，还为德军在苏联前线作战，居然可以在这样的情况下，得出这样惊人的成果！
史瓦西在给爱因斯坦的信中写到，“就如你所看到的，这场战争对我并不坏，虽然身处战火之中，但是战争让我暂时远离这个世界的纷扰，悠游在你所创造的世界里。”从这段文字中，可以看见史瓦西对科学的喜爱。可惜的是，史瓦西在1916年5月病逝，得年42岁。
可能是黑洞的概念太怪异了，爱因斯坦不认为宇宙中真的有黑洞，他认为黑洞只是存在于相对论的观念里，是一个理论上算出来的东西。这个连爱因斯坦都怀疑的天体，它到底存不存在呢？关于黑洞的7个问题：
什么是黑洞？
如果太阳变成黑洞，地球会被吸进去吗？
黑洞怎么长大的？
天鹅座X-1是不是黑洞？
可以用黑洞做时空旅行吗？
黑洞和黑洞相撞会撞出什么？
银河系中心有一颗大黑洞吗？
大麦哲伦云面前的黑洞（中心）的模拟视图。请注意引力透镜效应，从而产生两个放大，以星云最高处扭曲的视野。银河系星盘出现在顶部，扭曲成一个弧形。
宇宙黑洞知识科普
逃逸速度
在宇宙中有句黑话：质量为王。
意思是说，天体在宇宙中混的咋样，完全和自身的质量有关，那质量和有关呢？那就是引力。人之所以不会飘起来，正是地球对人有引力的作用。那如果想要逃离地球该咋办呢？
也不是没有办法，只要速度够快就行，通过牛顿的万有引力公式进行计算，如果速度能达到11.2km/s就可以逃离地球去流浪了。这个速度被我们称为第二宇宙速度。第一宇宙速度其实就是绕着地球飞行的速度。
如果速度能达到16.7km/s就可以逃离太阳系去流浪了，这个速度被我们称为第三宇宙速度。
其实这些宇宙速度还有个别名叫做：逃逸速度。也就是它们摆脱天体引力所需要的速度。
这时候科学家就寻思，按照相对论的基本假设，光速是最快的，那如果一个天体的逃逸速度就是光速甚至比光速还大，那光是不是就飞不出来了？
有个叫做卡尔·史派西物理学家在研究爱因斯坦广义相对论的方程时，就推导出了逃逸速度为光速的天体半径。这个半径被称为是史派西半径。
这个半径的大小取决于天体的质量。举个例子：地球的史派西半径为9毫米，意思就是说如果地球的质量不变，把地球压缩到只有骰子那么大的尺寸，光就无法从地球表面逃走了。而太阳的史派西半径也只有3千米。
后来，科学家惠勒给这种光都逃脱不了的天体叫做黑洞。
黑洞是怎样形成的？
知道了黑洞的特点，但是黑洞到底是咋形成的呢？
整个过程大概是这样的，如果有一颗恒星，要比太阳大一些，活了大半辈子，马上要挂了。不过，它并不是直接就消失，而是临终前要挣扎一下，玩一次火，炸一下。这种状态就叫做超新星爆炸。
这个场面其实是非常壮观的，亮瞎了眼都是小意思。
最后它炸得只剩下一个核。如果这个核的质量足够大，在引力作用下就会成为一个黑洞。黑洞的暴脾气哪来的？
黑洞在众多天体里是出了名的暴脾气，根据广义相对论，质量会扭曲时空，使得周围物体只能沿着弯曲的测地线运动。
比如：地球绕着太阳运动，本质上其实是太阳压弯了时空，地球沿着测地线在运动。
不过，太阳和黑洞比起来简直不值得一提，也就是说黑洞能把光都吸过来，是因为它扭曲时空的效果太强了，远远大于太阳，才使得光跑不出来，实际上，是任何物质都跑不了。
黑洞只进不出？
正是因为黑洞的这个特点，科学家认为：黑洞只进不出。
后来有一位伟大的科学家站了出来说：不是这样的！黑洞是会蒸发的。这位科学家就是霍金。
霍金（英国物理学家1942.1.8-2018.3.14）
他是这么认为的，根据海森堡不确定性原理，在真空中会在瞬间产生正反虚粒子对，因为能量守恒定律，正反虚粒子对会再瞬间消失。后来，科学家用实验证实这个现象。科学家把这个现象叫做量子涨落。
如果黑洞附近有真空的量子涨落，那有可能正反虚粒子对会被吸进去。不过，在一些情况下，只有带负能量的虚粒子就被吸进去，而带正能量的那个粒子没有。
这个时候从外部观测，黑洞就好像吐出了带正能量的虚粒子，这个过程其实黑洞一直在失去能量，这也被叫霍金辐射。
不过，霍金进行很详细的计算之后发现，10多倍太阳质量的黑洞完全蒸发需要10^66年，
要知道宇宙到现在才138.2亿年，比起这个数还小得很，也就是说根本无法验证这个理论。不过这个理论已经被很多科学家所接受。霍金辐射是霍金最高的学术成就，不过这个理论是否能够成立还需要进一步本证实。
超大质量黑洞：星系中心的巨兽
超大质量黑洞及其吸积盘想象图
此次事件视界望远镜（EHT）国际合作项目探测的两个黑洞分别是银河系中心黑洞和位于室女座方向的椭圆星系M87中心的黑洞，这两个黑洞都属于超大质量黑洞。
超大质量黑洞的质量通常介于百万到百亿倍太阳质量之间，其典型值是数亿倍太阳质量。从理论上来说，黑洞的质量都集中在中心密度无穷大的奇点，奇点之外是弯曲纠缠的时空。但如果把黑洞的引力半径看成黑洞的大小，那么质量越大的黑洞就显得越“虚胖”。对于十倍太阳质量的恒星质量黑洞，其引力半径大约是三十公里，接近于上海崇明岛的大小，非常致密且其平均密度超过中子星的物质密度。对于1亿倍太阳质量的超大质量黑洞，其引力半径已经增大到太阳与地球距离的两倍，平均密度却仅相当于地球上水的密度，也和太阳的平均物质密度相当。
目前观测到的超大质量黑洞基本都位于星系的中心区域。我们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳质量的黑洞，在超大质量黑洞中属于比较小的，其引力半径大约是日地距离的十分之一。
银河系银盘示意图
作为宇宙的基本结构单元，星系是黑暗广袤宇宙中的明亮岛屿，其中含有大量暗物质、恒星、气体等物质。银河系中大约有千亿颗如太阳般因中心核聚变发光的恒星。此外，天文学家相信每个大质量星系中心都有一个超大质量黑洞。
超大质量黑洞经常被称为宇宙巨兽，但这应该不是因为它们的体积。对于一个典型的1亿倍太阳质量的超大质量黑洞，其引力半径大约等于400倍的太阳半径，仅仅只是星系中相邻两个恒星平均距离的十万分之一。超大质量黑洞之所以被称为宇宙巨兽，主要是因为它们的质量巨大，达到百万到百亿倍太阳质量，并且它们对星系的影响巨大。超大质量黑洞可以主导比其引力半径大千万倍的星系中心区域的引力，产生的能量爆发足以深刻影响比其引力半径大十亿倍以上的星系中的气体分布和恒星形成。
如果把星系缩小成地球大小，那么其中心的超大质量黑洞大约只有一粒花生米大小。但这个位于“地球”中心的“小花生米”在“进食”（吸积物质）过程中产生的能量爆发却深刻影响到了整个“地球”上的气候变化（气体运动）和生命成长（恒星形成）。超大质量黑洞对星系的影响，一般被称为反馈作用，是当前天文学研究的热点前沿方向之一。
宇宙巨兽的休眠与爆发
那么，超大质量黑洞是怎么通过反馈机制影响到整个星系的演化呢？超大质量黑洞因为其强大的引力可以吸积运动到其附近的物质，如气体、恒星等。被吸积的物质通常拥有角动量，会环绕黑洞形成旋转的吸积盘或比较厚的吸积流，其中一部分物质最终会进入黑洞。因为黑洞的致密性与强引力，黑洞吸积过程会释放大量的引力能，转化为被吸积物质的动能，其中一部分动能会因为气体间的“摩擦”或磁场的作用耗散为气体内能。黑洞吸积过程可能是已知宇宙中能量转化效率最高的物理过程，其能量转化率是热核聚变能量转化率的数十倍。
黑洞吸积过程与能量释放的三种方式
黑洞吸积过程释放能量的方式主要有三种，包括光辐射、准直性很好的喷流、和张角较大的外流。光辐射与外流可以对超大质量黑洞的周边环境产生强烈影响，而喷流与强外流则可以传播到星系甚至更大空间尺度上。因此，这些释放的能量与星系内的气体相互作用，可能直接影响黑洞吸积流（如外流改变了黑洞吸积率），影响了对黑洞吸积系统的物质供给，甚至影响了星系中的气体动力学与恒星形成。
M87星系中心黑洞的射电喷流反馈
目前黑洞反馈作用最直接的观测证据在星系团中。位于星系团中心的超大质量黑洞在吸积物质的过程中，释放出强力的射电喷流，并在星系团内区产生半径达数千到数十万光年的大气泡。这些大气泡中含有大量在喷流中被携带或加速的高能粒子，产生可观测的射电辐射。星系团中含有大量能产生X射线辐射的热气体，而喷流产生的射电气泡可以排开其周边的星系团气体，在星系团的X射线图中产生X射线辐射明显偏弱的空洞和激波、声波等结构。观测发现黑洞喷流传递给星系团气体的能量足以弥补其因X射线辐射而损失的能量。
因为强烈的能量释放，处于吸积物质阶段的超大质量黑洞可以被称为爆发中的宇宙巨兽。相对应的，停止吸积物质或吸积率非常低的超大质量黑洞可以被称为休眠中的宇宙巨兽。黑洞因为“进食”而爆发，因此爆发中的宇宙巨兽也正在积极成长中。
一个超大质量黑洞在其成长历程中很可能经历了多个“爆发-休眠-爆发”的周期性轮回。在银河系的近亿颗恒星质量黑洞中，目前仅有二十多颗因为产生X射线辐射（“爆发”）而被人类探测到，说明大部分恒星质量黑洞在休眠中。同样的，近邻宇宙中的大部分超大质量黑洞也在休眠中。我们知道宇宙一直在膨胀中，过去的宇宙中的物质更加密集，星系中的气体含量也更高，而超大质量黑洞的爆发也很可能比今天的宇宙更加频繁。
人马座A*超大质量黑洞
银河系中心黑洞–人马座A*
至今为止，超大质量黑洞存在的最强证据是我们银河系中心的超大质量黑洞 – 人马座A* （Sagittarius A*）。这也是离我们地球最近的超大质量黑洞，它最早是1974年在射电波段被观测到的，位于人马座，后面的星号“*”主要是用来表示这是一个激动人心（exciting）的观测信号，在原子物理中也常被用来代表原子的激发态（excited states）。人马座A*是事件视界望远镜对黑洞进行拍照的两个超大质量黑洞之一。
在人马座A*附近，有一些大质量恒星绕着它做开普勒运动。近二十多年来，德国和美国的几个研究团组一直在跟踪这些恒星的运行轨道，并由此确定在位于射电源人马座A*的接近太阳系大小的极小空间范围内存在着大约四百万倍太阳质量的天体，按人类现有的知识几乎只能用超大质量黑洞来解释。这是事件视界望远镜对黑洞进行拍照之前超大质量黑洞存在的最好观测证据。
银河系费米气泡
近期的观测确实找到了人马座A*在过去曾经经历过爆发期的可能证据。2010年国际十大物理事件之一是内银河系中费米气泡的发现。这是在高能量的伽马射线波段发现的、位于银河系中心上下的两个巨大椭圆形气泡。每个气泡沿着银河系对称轴方向的长度大约有3万光年，和银盘上太阳与银河系中心的距离相当。目前天文学界对费米气泡的起源还没有定论，但最可能的应该是起源于人马座A*的能量爆发。笔者在2011年提出源自银河系中心黑洞的喷流可以自然产生费米气泡，这是费米气泡起源于人马座A*的第一个模型。
在我们最新的模型中，产生费米气泡的喷流发生在数百万年前，持续了约1百万年的时间，当时人马座A*的吸积率大约是每1万年吸积大约1个太阳质量的物质，是当前其吸积率的一万倍。在更久远的过去，人马座A*很可能还经历过吸积率更高的爆发期，因为这个吸积率尚不足以在宇宙年龄内单靠吸积产生如今质量的银河系中心黑洞。
目前人马座A*处于休眠期，其物质吸积率大约只有每1亿年吸积1个太阳质量的物质。如果人马座A*在过去的吸积率也一直如此，那么它需要吸积400万亿年才能达到今天的质量（400万倍太阳质量），这个时间远远超过当今宇宙的年龄（138亿年）。这个论证可以说明银河系中心黑洞在过去肯定经历过成长很快的爆发期。
作为首次看到黑洞真身的碳基生命：人类，我个人觉得无比幸运。不过，这仅仅是一个开始，事件视界望远镜对M87和银河系中心黑洞于2017年都进行了观测，4月10 日公布的只是其中一个，另一个的数据处理分析还在进行中。未来的观测更可期待，人类将以前所未有的精度严格检验爱因斯坦提出的广义相对论，探索靠近黑洞引力半径附近的吸积流与外流物理。
