咔嚓，給黑洞拍個照

侯宏偉

近日，由中國科學院上海天文臺路如森研究員領導的一個來自17 個國家和地區的國際研究團隊，首次對射電星系M87 的黑洞以及周圍環狀結構和噴流拍攝了“全景”照片。

黑洞到底是什么？為什么要給黑洞拍照？怎么給黑洞拍照？……帶著這些問題，我們專訪路如森研究員，從關于黑洞的預言談起，解密黑洞的本質。

《光明少年》：黑洞是怎么被發現的？

路如森：黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一種天體。

怎么尋找黑洞存在的證據？科學家通過各種辦法，比如通過觀察它們對附近的恒星和氣體的影響來探測它們。為黑洞拍照就是辦法之一。假如人們發現恒星圍繞著一個看不見的東西繞轉，就可以推斷，它所繞轉的中間有一個質量很大的天體，也就是黑洞。

怎么測量黑洞質量呢？黑洞本身不發光，但是恒星發光，通過觀測這些恒星圍繞黑洞繞轉的軌道，我們就能知道中心黑洞的質量。這是測量黑洞質量的辦法之一。天文學家目前認為，幾乎所有星系的中心都存在一個質量高達數百萬倍甚至數十億倍太陽質量的超大質量黑洞，也包括我們的銀河系。

《光明少年》：黑洞到底是什么？

路如森：黑洞其實是時空中的一個區域，有著極強的引力。有多強呢？我們知道，光是跑得最快的，如果連光都跑不出來，其他東西就更跑不出來了。正是因為光跑不出來，無法到達人的眼睛或者被儀器探測到，所以被形象地稱為“黑洞”。

“牛頓大炮設想 ”你聽說過嗎？牛頓說，要是在地球上發射一個大炮，炮彈的速度越快，跑出去的距離就越遠，如果速度特別快，炮彈有可能就回不來了。我們在地球上發射衛星就是這個道理，衛星的發射速度達到一定程度后，會繞著地球旋轉，也有可能脫離地球引力。在黑洞中，光就像是“炮彈”，但是它的速度不足以逃脫黑洞的束縛。因此，我們幾乎可以認為黑洞能“吃”一切。

《光明少年》：為什么會選擇為M87星系黑洞拍照？給黑洞拍照片和普通照相有什么不同？

路如森：我們的觀測能力有限，所以需要選擇一個相對比較容易拍到的黑洞。拍攝M87 星系黑洞主要是因為它大、近、亮。M87 黑洞大約是太陽質量的65 億倍，同時它也離我們比較近。

給黑洞拍照和用相機、手機拍照最大的不同是使用不同波段的光。相機、手機是在可見光下拍攝，而給黑洞拍照使用的是高頻“射電光”。“射電光”是什么呢？我們知道，紅外相機利用熱敏感拍照，醫院用X射線拍片子，還用伽馬射線做手術……高頻“射電光”和紅外線、X射線、伽馬射線都屬于電磁波，只不過分別處于不同波段。

另一個不同，就是給黑洞拍照不是立等可取，而是采用干涉成像，就和在醫院拍片子一樣需要技術處理采集到的信號，然后成像一樣。這是一個漫長的過程。我們為M87星系黑洞拍照是在2018 年4 月，但是處理信號、成像、做出理論解釋寫成論文，用了整整5 年。

《光明少年》：宇宙中到底有多少個黑洞？ 為什么要研究黑洞？

路如森：我們不知道宇宙中有多少個黑洞，就像我們無法知道海灘上有多少粒沙子一樣。

黑洞大致分三類：恒星級黑洞、超大質量級黑洞和介于這兩種之間的中等質量黑洞。目前普遍認為每個星系的中心都存在一個超大質量黑洞，他們的質量可高達太陽質量的一百萬倍以上。我們人類所居的銀河系中心也有一個。恒星級黑洞的質量是太陽質量的幾倍至幾十倍，在銀河系可能有上億個。整個宇宙，除了銀河系還有很多其他星系，所以，很難具體數清楚到底有多少個黑洞。

很多人對黑洞感興趣是出于好奇。而科學家研究黑洞，是為了探究基本的物理理論。17 世紀，牛頓提出三大定律，后來人們逐漸發現，有些情況下這些理論并不適用，進而開始尋找新的、適用范圍更廣的理論，于是，在20 世紀初誕生了愛因斯坦的廣義相對論。現在，距離廣義相對論的提出已經100 多年，它能用來解釋一切嗎？未必，但這需要在一些極其特殊的環境下來驗證它。黑洞就是這樣一種極其特殊的環境。這對我們探求更先進的、能夠普適于更多場景的物理理論是很重要的。

《光明少年》：這次拍到的黑洞全景照有什么特別的地方？

路如森：2019 年曾公布過人類拍到的第一張黑洞照片，它看上去就像個“甜甜圈”，那也是M87 星系黑洞。與之相比，這次拍出的黑洞照片中，“甜甜圈”更大、更厚，而且照片中有噴流。

其實，在觀測手段還不怎么先進的1918 年，人們就觀測到了M87 星系的噴流，但是一直以來，無法把它和黑洞拍在一張照片上。它特別長，距離地球約5500 光年，這次我們采用更加先進的觀測手段，讓M87 黑洞和它旁邊的噴流終于呈現在一張圖像中。

《光明少年》：很多青少年對探索宇宙特別感興趣，請您給小天文迷一些建議。

路如森：我建議孩子們多讀書， 勤動腦思考、多提問題，尤其要敢于質疑。

科研機構經常會開展科普活動，孩子們也要抓住機會積極參加，從一線科研人員那里了解最新的科學進展、研究成果，相比教材上的知識或網絡上的信息，這些可都是最新鮮也是最精準的科學知識呢。