​【深度】首张黑洞照片的说明书

【深度】首张黑洞照片的说明书

M87星系中心黑洞亮相后，很多人开玩笑说像甜甜圈、像戒指、像玉壁（至于取暖器、煤饼啥的就不提了）。但是照片中黑黑的部分到底是什么？明亮的环又是什么？它为什么会呈现不对称呢？我们必须从黑洞的基本结构说起。

黑洞有哪些结构？

黑洞结构示意图（顶视图）（绘图：水兄）

请看上图，我们是从黑洞的极区向下观察黑洞，相当于“顶视图”。简要解释一下几个专业名词吧：

1、奇点（singularity）黑洞“至尊”之所，时空曲率的“奇异点”（时间、空间以及物理规律在此处土崩瓦解）。黑洞吞噬一切物质都会跌落到奇点。

2、史瓦西半径（Schwarzschild radius）1916年，卡尔·史瓦西得到了首个广义相对论的解——任何一个球状对称的、不自转的、不带电的物体，只要质量限于某个半径内，这个物体的逃逸速度将超过光速，它会成为黑洞。史瓦西半径内的物体，运动方向只有一个，就是指向奇点。史瓦西半径的计算公式为 rs=2GM/c2，其中G为万有引力常数，M为天体质量，c为光速。

3、事件视界（event horizon）距离奇点小于史瓦西半径的区域任何物质包括光都不能逃逸，任何信息也都无法传递，因此在外部无法观测到史瓦西半径内的任何事件。这条界限就被称为事件视界。

4、光子层（photon sphere）光线在黑洞周围极度弯曲的时空中不再以直线前进。在距离奇点1.5倍史瓦西半径的地方，光子会绕着黑洞做圆周运动。假如你能静止于此处，你往光子运动的反方向看，会看到你的后脑勺，因为光转了一圈回到了你的眼睛里。

5、最内层稳定圆轨道（innermost stable circle orbit）在牛顿力学中，在不考虑外力的情况下，任何物质在任何距离上都能找到一条稳定轨道围绕中心天体运行。然而在广义相对论中就不是这样了，因为没有“力”的概念，一切都由弯曲的时空决定，于是存在着一条最靠近黑洞的稳定轨道。一旦落入这条轨道内侧，物质只要遇到一点点扰动就会进入螺旋轨道，逐渐接近视界。

6、吸积盘（accretion disk）这是“套在黑洞脖子上的食物”。黑洞吞噬附近物质时，往往先将其撕碎，再把它们甩到黑洞赤道面旋转，这个盘面就是吸积盘。吸积盘里的情况极为混乱，物质运动速度快，相互碰撞，又被撕碎，逐渐变成粒子，温度最高可以达到数百万度，因此吸积盘是黑洞结构中最“明亮”的结构之一，在各个电磁波段都能看见。比如这次我们就是利用射电波段（1.3mm波长）“看”到了吸积盘。

吸积盘的最内侧就是最内层稳定圆轨道——很好理解，比这条轨道更靠近黑洞的物质不再作水平方向的运动，而是会跌落黑洞，因此吸积盘内侧传递出的信号并不强烈，亮度下降非常明显。

值得注意的是，并不是所有的黑洞都有吸积盘，只有正在“吃东西”的有旋转的黑洞才会形成吸积盘！（以上概念，除吸积盘外，均以球状对称的、无自转的、不带电的史瓦西黑洞为例。）不要嫌我啰嗦，这几个概念必须了解才能看懂黑洞照片。

黑洞影子是什么东东？

您有没有注意到，在当天发布会上、媒体上使用了一个词“黑洞的阴影”或“黑洞的影子”（shadow），这到底是什么呢？黑洞怎么还能被照出影子？我们继续上图，这次换成“侧视图”。

史瓦西黑洞附近光线路径模拟。黑洞阴影表示为椭圆是表达透视效果，从地球上的观察者看来阴影的圆的。（来源：网络，编辑：水兄）

假定我们向黑洞（仍以史瓦西黑洞为例）射出一组平行光，这些光线遇到黑洞会沿着弯曲的时空运行。直对黑洞而去的光会径直掉落视界内；而位于两侧的光线会走出弯曲的路径，离开不太远的光线会以类似抛物线轨迹跌落黑洞；稍远些的会可能会进入光子层运动；再远些的则会被甩出黑洞，向各个不同的地方飞去。

你会发现，距离视界一定宽度内的光线会因为距离黑洞太近，最终难逃魔掌。这个宽度有多大呢？根据广义相对论计算，半径为 √(27)GM/c2，约 2.6rs ，这被称为“光子俘获半径”（Photon capture radius），它大于光子层、大于视界。

黑洞附近光子运动轨迹的艺术想象画（来源：Nicolle R. Fuller/NSF）

将上面那个艺术想象画转个角度，以透视的方式从视线方向看一下，就能明白阴影是如何形成的。（来源：Nicolle R. Fuller/NSF）

现在我们可以反过来接收光线。因为光路是可逆 ，你所接收到的光线中，也必然损失了那些距离黑洞2.6倍史瓦西半径范围内的光子。虽说我们所看见的光线不止正对我们的，可能是黑洞周围各个方向上许许多多光线，然而，结果却是一样的，黑洞的引力在自己身边（奇点） 2.6rs 半径范围内制造了一个阴影区，就好像是黑洞的影子。

我们从地球上看过去，必须透过影子才能看到黑洞视界和光球层（除非离黑洞很近）。甚至从某种程度上说，黑洞阴影是我们目前能看到的最接近黑洞本身的结构。同时，也必须指出，这个阴影并不是全黑，因为有少量光子会因为引力透镜效应从黑洞的其他方向甩出来沿着这条轨迹飞向我们！

“黑洞阴影”会遮蔽黑洞的视界和光子层（绘图：水兄）

黑洞照片上有什么？

M87星系中心黑洞（来源：Event Horizon Telescope Collaboration）

有了我们前面的铺垫，再来看这张照片或许会看出更多的门道。我们看到的黑色部分并不是黑洞视界，而是黑洞阴影。不过要看到黑洞阴影也必须满足三个条件：（1）有足够数量的发射光子“照亮黑洞”；（2）发射的光子来自离黑洞足够近的地方，那样才可以产生非常明显的引力透镜效应，让光子轨迹掰弯飞向我们；（3）黑洞周围的等离子体对我们选择的观测波长有足够的透明度。于是，我们才会选择M87星系的中心黑洞作为目标（质量足够大），我们才会确定参与EHT的成员（分辨率尽可能大），我们才会选择1.3mm的波段（透过率高）。

就如银心黑洞是通过射电波段发现，给了它一个编号，人马座A*，那么相应的M87星系中心黑洞也能获得一个编号M87 A*。最近听说有人用夏威夷土著语给它起了一个名字 Powehi，意思是“无限创造的黑暗源泉”。不过，这是非官方的，不作数。

对M87*黑洞照片的解读（来源：上海天文台）

黑洞阴影并不是一个完完全全清晰的轮廓，再加上散射、分辨率等原因，在我们的照片中无法明确划出一个界线。我们根据信号，也就是强度，可以画出一个环状结构，角直径大约42±3μas（微角秒，1μas=1°/3,600,000,000），根据已知的距离（可通过红移得到），推测实际直径约为1000亿公里，宽度则小于20μas。这个环的内侧基本上就是我们所说黑洞阴影所在的位置了。

那么黑洞的视界到底在哪里？研究人员根据此次观测的数据，基本确定了M87 A*的质量为65亿倍太阳质量，于是我们可以计算其史瓦西半径约为200亿公里，比阴影小了2.5倍，角直径约17μas。事实上引人关注的事件视界在我们第一张黑洞照片基本看不见，不过这恰恰也是符合预期的。

首张黑洞照片中的环状结构为我们指示了黑洞阴影的位置。需要注意的是黑洞阴影并没有一个明显的界限。黑洞的视界就位于阴影中。（原图来源：Event Horizon Telescope Collaboration；绘图：水兄）

M87* 黑洞到底是怎么转？

在照片上我们还能清楚看到不对称结构，南边亮北边暗，这是因为存在多普勒增量效应。最基础的多普勒效应是指稳定振动源靠近观察者时频率增加波长压缩，远离观察者时频率减小波长拉伸的效应。不过在强引力场中还存在明显的增量效应，物体靠近观察者时相应的电磁波强度也会增加。这种现象可以简化地类比于车辆在沿你视线方向靠近的同时鸣笛，你不仅会听到音调在提升，变得更加尖锐，还会感觉声音更响了。

事实上广义相对论已经为我们描绘了这种场景，在计算机模拟上可以非常明显地看出这种效果。

电影《星际穿越》中超大质量旋转黑洞卡冈图雅的模拟。a）适当弱化相对论效应并渲染后的黑洞吸积盘。b）考虑了多普勒效应和引力红移的吸积盘。c）将亮度根据刘维尔定理进行了处理，更接近黑洞附近观察者看到的真实感受。（来源：Paul Franklin, Oliver James, Kip Thorne and Eugénie von Tunzelmann）

EHT项目对M87*的计算机模拟（来源：Event Horizon Telescope Collaboration）

根据多普勒增量效应，我们从照片上比较容易分辨出M87*吸积盘南侧（下）比北侧（上）更靠近我们。再结合数据（多普勒效应造成的频移无法在照片中直接看出），我们就能知道，黑洞外气体是顺时针旋转。因此，黑洞赤道面与我们的视线方向呈现出比较大的角度。

EHT所关注的范围非常小，而其他望远镜，如甚大阵VLA（射电望远镜阵列）、“哈勃”望远镜、“钱德拉”X射线望远镜等早已对M87星云的中心进行过观测，已经知道它存在着一条长达近5000光年的喷流，与视线方向呈17°角。于是我们可以把这些信息与新发布的第一张黑洞照片结合在一起，得到它自旋的样子：

M87星系中心黑洞吸积盘角度与自旋方向示意（原图来源：L.R. Weih & L. Rezzolla）

至此，我们把首张黑洞照片透露出的基本信息捋了一遍，希望能够帮助到你正确认识这张照片，不仅仅是看个热闹。当然，再次重申，照片只是首批成果中一小部分，EHT为我们收集了海量有效数据，有望揭露黑洞及其周围气体、时空更多的信息。让我们一同期待。

由于本人能力有限，一定存在着不够准确详尽之处，望批评指正！

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