天文科普 | 黑洞十问十答
本期文章来聊一下之前答应大家的黑洞怪异理论。前不久(4月22日)，作者接受多伦多 FM105.9 魅力中国电台“加国同学会”节目的访谈时，也谈到了相关问题。推荐大家点击文章结尾处的“阅读原文”收听节目录音。节目时长50分钟，正式访谈从4分40秒处开始。黑洞问答索引
黑洞照片的拍摄难度
研究黑洞的目的
黑洞到底是什么东西？很黑吗？是个洞吗？
既然光线都无法逃脱黑洞，为何我们还能看到黑洞？
如果一个人掉进黑洞，会看到什么？
地球有没有掉进黑洞的危险？
既然银河系中心有一个黑洞，我们为何选了M87星系的黑洞来拍照？
黑洞照片看上去上面暗、下面亮，是因为图像质量不够好吗？
黑洞是怎样形成的呢？
黑洞一旦形成，就只会往里吃，不会往外吐吗？
--------黑洞十问十答--------
01这张模糊的照片对人类意味着什么？为什么科学家们那么兴奋？
不要小瞧这张模糊的照片。它之所以模糊，是因为距离太遥远太遥远了。照片中的黑洞是M87星系的M87*黑洞，距离我们5300万光年。这么远的距离上想要看黑洞的细节，大约像是站在哈尔滨看放在广州的一颗高尔夫球，还要试图数高尔夫球上面的洞！其实，我们可以看到来自黑洞的光已经实属不易了！
这张黑洞照片的分辨率，也可以说是达到了人类目前技术水平下的极限。为了拍这张照片，科学家们动用了分散在西半球八个不同位置的八台大型射电望远镜，相当于是把整个地球等效成了一个巨大的“事件视界望远镜”（EventHorizon Telescope, EHT）。这八台望远镜之间通过极为精确的原子钟达成同步观测。为了保证数据质量，八个地点的天气还要同时利于观测。最后这次观测用掉了10天观测窗口中的5天，得到了5000TB的数据（也就是满满1000多张移动硬盘）。接下来世界各地的200多名科学家动用巨型计算机，整整耗时2年，把八个地点的海拔差、地球自转、月球潮汐引力所有这些影响全部去掉，才合成了这一张照片。这张照片是人类有史以来第一次看到黑洞的事件视界，并且照片与我们理论预言几乎完美地吻合。当我们投入了巨大的精力，动用了最先进的科技，最后真的得以一睹黑洞真容、同时验证了伟大的理论时，那种感觉自然是很兴奋的。
↑ 组成“事件世界望远镜”的八个大型射电望远镜在地球上的位置示意图
02我们为什么要花那么大力气研究黑洞呢？
从理性上讲，黑洞是爱因斯坦的广义相对论中预言的一种具有极端性质的天体，研究黑洞可以帮助我们验证极端条件下广义相对论是否还正确。而广义相对论基本上是我们人类目前理解整个宇宙的基础，因此黑洞的研究对于我们理解整个宇宙至关重要。不过，从感性上讲，我认为大部分研究黑洞的科学家其实是受好奇心驱动去做研究的。黑洞真的太奇怪了，奇怪到各种各样的性质就算都有理论预言，也仍然超出了我们的想象力，吸引着科学家们不断探索。
↑ 左图为基于广义相对论的计算机模拟M87*黑洞图像，
右图为事件视界望远镜所呈现的图像。理论与实验结果吻合度非常高。
03那么黑洞到底是有多奇怪？它真的很黑吗？它真的是一个洞吗？
按照广义相对论的预言，黑洞是宇宙中的一种带有万有引力的区域，在那些区域内部，万有引力大到了连光速也无法逃脱的程度：因为光线无法从黑洞内部发出来，所以一个黑洞的“黑”就是完全无光的黑色；因为黑洞的引力会将外界物体拉向黑洞，所以说黑洞像是一个“洞”。不过这个洞不是我们直观想象中的山洞的那种洞，黑洞是一个四维空间中的洞，洞口是一个球体的形状。大家如果玩宠物小精灵（Pokemon）的话，也可以把黑洞理解成像精灵球一样的东西，碰一下精灵球就会被吸进去，然后精灵球里面是另一个空间。只不过黑洞一旦进去是出不来的罢了。
↑ 从不同角度和距离观看黑洞的艺术呈现图。图中围绕黑洞的光带是黑洞周围吸积的高温气体盘（详见问题7和问题8）
04 既然光线都无法逃脱黑洞，为什么我们还能看见它？还有，是不是如果可以超过光速，就可以从黑洞里面逃脱了？
任何情况下，一个物体想要逃脱另一个物体的万有引力，都需要有一定的速度（即“逃逸速度”），离引力中心越近，逃脱所需要的逃逸速度就越大。这有一点像是水中有一个大漩涡，一条鱼越靠近漩涡中心，就需要越大的速度向外游，才能游出漩涡。逃脱黑洞所需要的速度也是类似——越靠近黑洞中心就越大，如果距离近到一定程度，所需要的逃逸速度达到了光速，这时就算是光线也无法逃脱黑洞了。由于光速是宇宙中速度的极限，因此黑洞的这个边界也是任何物体想要逃脱黑洞的极限距离。这个黑洞的内外边界被叫做“事件视界”，也就是我们科学家所用的“事件视界望远镜”的名称的由来。
在黑洞的事件视界内部，光线无法逃脱，但是在事件视界外面，需要的逃逸速度减小，光线还是可以逃脱、并被我们观测的。这次这个黑洞的照片里的光，就是从黑洞事件视界以外的物质发出来的光。
↑ 黑洞周围空间区域的二维示意图。在事件视界上，黑洞强大的引力会使逃逸所需速度达到光速。由于光速是自然界速度的极限，进入事件视界内部的任何物体都将无法逃离。
说起光速，也许有的朋友会想问，为何光速是宇宙中速度的极限，为何任何物体都没办法比光速快？直接的答案是，这个速度限制是爱因斯坦狭义相对论和广义相对论中的基础法则之一。这个法则听起来也许有点匪夷所思：如果我坐在一艘比光速稍微慢一点点的飞船上，然后向前以很快的速度再发射一枚导弹，难道这枚导弹也仍然超不过光速吗？答案还真是超不过。想要理解这一点呢，我们必须把宇宙想象成四维的，其中三维是空间，一维是时间。在这个四维时空之内，任何物体都是以光速恒定运行的！没错，此时此刻坐在椅子上，看上去在空间中没有移动的你我，在四维时空中的运行速度，也仍然等于光速，也就是说，当我们在空间中静止不动的时候，我们在时间中就会以光速运行。而如果我们在空间中运动起来，那么在时间中运行的速度就会减慢，保证我们在四维时空中的总速度仍然等于光速。这有点像一辆必须开100km/h的汽车，如果汽车按100km/h往北开，那么汽车在东西方向上就是静止的；如果汽车按100km/h往东开，那么汽车在南北方向就算静止的；如果汽车按100km/h朝东北方向开，那么汽车在东方向和北方向的速度就会都小于100km/h。这辆车的速度永远也无法在任何一个方向上超过100km/h。就像我们，永远也无法在空间中移动速度超过光速，因为我们在四维时空中一直是以光速运行的。
其实“光速”跟光没什么关系，光速是宇宙中一切物体在四维时空中的恒定速度。在这个框架下，任何物体在任何情形下都无法超过光速，所以任何落入黑洞事件视界的物体，都无法逃脱。
05如果人掉进黑洞会发生什么？会像电影里那样进入另一个次元吗？
这个问题就比较有趣了。《星际穿越》电影里黑洞中的另一个世界，应该纯粹是作者的想象。真实的黑洞没有这么多花哨，但是真实的黑洞可能比电影里还要诡异。
为了简单起见，我们就考虑直线落入超大质量黑洞的情形吧。如果一个宇航员驾驶飞船直线飞入了一个超大质量黑洞，那么从外界观察者眼中看来，这个宇航员其实永远也不会落入黑洞。因为根据广义相对论，引力会导致时间流逝速度变慢，黑洞的事件视界附件，时间流逝速度几乎为0，宇航员进入事件视界所需要的时间，在外界观测者看来，则趋近于无穷久：宇航员会像是留了最后一个画面在黑洞表面一样，这个画面慢慢变暗变淡，却永远不会发展到进入事件视界的那一刻。
而在宇航员自己看来会发生什么呢？你可能永远也猜不到这个答案：什么也不会发生！是的，如果宇航员不向窗口外看的话，他根本感觉不到自己已经掉入了黑洞！他已经无法逃离黑洞了，但是由于任何人相对于自己都是静止的，所以当他观察自己的时候，是什么问题也看不出来的。不过，如果这时他朝窗外看，会看到整个天空的一半已经被黑洞占据，完全变成了黑色，另一半是黑洞外世界被黑洞的引力扭曲的景象。
黑洞外观察者看到的景象和落入黑洞宇航员看到的景象差别这么大，那么到底谁看到的是对的呢？答案是，两人都对。黑洞的事件视界，事实上把宇宙分成了两部分，内部和外部对于同一个事件的观测可能导致完全不同的结果，而且此后内部发生的任何事件都无法与外部的事件相互影响。
对于宇航员来说，虽然落入黑洞是一个没有任何异样的短暂过程，但是这并不是故事的结局。落入黑洞事件视界的物体将无可挽回地继续落向黑洞中心。开始时，在超大质量黑洞的事件视界上，万有引力并不是很强，所以感觉上一切正常。但是当宇航员不断朝黑洞中心落去时，靠近黑洞中心那一端和远离黑洞中心那一端所受的引力差别会越来越大，飞船以及宇航员自己开始被不断拉长，最终拉断、拉碎，连原子都不会留下，只剩下纯粹的质量，和黑洞融为一体。这个过程被科学家形象地成为“面条化” （Spaghettification）。
↑ “面条化”（Spaghettification）过程中宇航员视角的艺术呈现图
面条化之后的物质还会继续落向黑洞中心。在黑洞的最中心，是一个引力大到了所有现有物理定律都失效的地方，叫做奇点。奇点处到底会发生什么，我们什么也不知道：用我们现有的物理，根本没有办法知道。所以我个人必须承认，我不知道通过黑洞的奇点可不可以到达另一个世界，也不知道那里会不会有一个“异次元空间”。不过大致可以肯定的是，通过奇点之前被拉成面条的过程肯定是不会舒服的。(￣▽￣)"
06黑洞这么危险，那我们地球附近有黑洞吗？我们会不会有一天不小心被黑洞吸进去？
就我们人类目前所知，我们的地球是没有掉入黑洞的风险的。如果有一个大质量黑洞在我们很近的附近，我们应该很容易从四周恒星的运行规律中发现它（如下图所示）。而如果一个几十倍太阳质量以下的恒星级黑洞在我们附近，那么它对我们的影响就会像其他恒星对我们的影响完全一样，基本感觉不出来。目前我们探测到的最近的黑洞大约距离我们3000光年左右，质量不大，大约为10倍太阳质量，但是距离却是最近的恒星距离的近千倍，太远了，所以我们并没有被吞没的风险。
其实，我们银河系的正中心有一个超大质量黑洞（人马座A*,Sagittarius A*）。它的质量约为410万颗太阳，距离我们大约2万6千光年。它的影响对我们还是有的，我们的太阳系作为一个整体正在围绕银河系中心缓慢公转。不过，由于公转的离心力和银河系中心对我们的引力相互抵消，所以我们仍然没有被吞没的风险。
↑ 银河系中心黑洞，人马座A*的间接存在证据。通过几十年间观测的恒星运行轨迹，可以推算出图中星标处存在一个小空间内的强引力源，也就是一个超大质量黑洞。这些恒星虽然距离一个超大质量黑洞很近，但是它们在我们有生之年内也几乎不可能被黑洞吞没。
07既然银河系中心也有个黑洞，那我们拍照为啥选了这个M87星系里的黑洞？
其实这个黑洞拍摄计划从一开始就已经选好了两个目标：我们银河系自己的人马座A*，和M87星系的M87*。这两个黑洞的拍摄是同时进行的。到目前为止，M87*的成像质量要好过人马座A*，于是就先公布了它的结果。
M87*黑洞的确比我们银河系自己的黑洞要遥远了2000多倍，不过它的尺寸也比我们自己的黑洞大了2000多倍。这一点很像我们的太阳和月亮。太阳距离我们要400倍远于月亮，但是太阳尺寸又400倍大于月亮，综合起来，太阳和月亮在天上刚好显得一样大。这两个黑洞也是类似，近的本身尺寸小，远的本身尺寸大，因此从地球上看的视角几乎一样大。
当然了，尺寸差不多大，并不代表观测难度差不多大。首先一点就是，黑洞本身不发光，所以如果只有一个孤立的黑洞，不论黑洞多大，我们都难以看见。幸运的是，M87*黑洞非常活跃，周围有大量的气体受引力作用被加热到了百万摄氏度的高温，因此也非常之明亮，而相比之下我们银河系的人马座A*黑洞就不那么活跃，因此观测起来稍微难一些。第二个影响观测难度的，是星际尘埃。我们想要从地球观测到人马座A*黑洞的光，需要先穿过整个银河系星盘的尘埃，光线损失很严重，而从地球观测M87*的方向上星际尘埃较少，也是对M87*有利的观测条件。
黑洞周围的高温气体盘也是黑洞的奇异之处之一。我们前面讲到的宇航员直线落入黑洞的情形，其实实际中比较难以发生，更常见的情形是，落入黑洞的物体沿着一个螺旋形轨迹，不断靠近黑洞。在这个螺旋形轨迹上，尘埃气体颗粒相互碰撞，把万有引力的能量转化为热能。这个能量转化的效率比核反应都高，放出的能量比核弹爆炸都猛烈。因此一个正在快速吞噬外界物质的黑洞周围的气体盘，其亮度往往可以远超越它所在星系几千亿颗恒星的总亮度，是我们这个宇宙中最明亮的天体（当科学家们最先发现这类天体时，它们在极小的空间内发出惊人的亮度的机制立刻成了一个巨大的谜团，科学家们称它们为“类星体”，直到后来被确认为是黑洞）。
世间最明的明亮与世间最黑的黑暗，在黑洞这里，神奇的融为了一体。让人不由得感叹宇宙的玄妙。
↑ 类星体（quasar）的艺术呈现图。类星体被认为是存在于宇宙诞生早期的活跃黑洞，其周围吸积的高温气体盘往往具有远大于整个星系所有恒星总和的亮度
08那这个黑洞看上去顶部暗，底部亮，也是因为距离远导致的成像偏差吗？
不是的，这个不对称的亮度，其实是这张图片最漂亮的结果之一。我们之前说过，来自M87*黑洞的光，其实是来自黑洞周围高温高亮度的气体盘，这个气体盘在围绕黑洞做非常快速的公转。当物质运行速度非常快的时候，用相对论可以预测出，朝向观察者运行的物质发出的光亮度更大，背离观察者运行的物质发出的光亮度更小。这有一点像警车的警笛声，当警车朝我们开过来时，音调更高，当警车远离时，音调更低。（虽然更严格一点来说还是不能完全这样类比。）当我们看到M87*黑洞顶部暗底部亮，我们就知道，黑洞周围的气体盘在黑洞底部是朝向我们运动的，在顶部是背离我们运动的，于是很简单就可以得到黑洞的旋转方向，甚至可以通过上下明暗对比来计算旋转速度！
↑ 法国科学家Jean-Pierre Lumnet于1979年绘制的世界上第一张黑洞及其吸积气体盘模拟呈现图。值得一提的是，此图绘制时世界上还没有科学计算软件和绘图软件，这张图是作者经过大量手动演算后手绘的。
09黑洞是怎么形成的呢？
黑洞的形成有可能有不同的方式，但是所有的方式都需要把物质压缩到密度超过其自身承载极限。这个极限大约是多少呢？如果想把整个地球压缩成一个黑洞，那么这个黑洞将只有不到2厘米大，大约相当于一颗葡萄。这种程度的压缩，需要很苛刻很剧烈的条件，而就我们人类目前所知，宇宙中确实是有这样的条件的，这就是超新星爆发。
超新星爆发是一颗大质量恒星在其晚年的最后一次闪耀。恒星的一生中，都是靠着核聚变的巨大能量来和自身万有引力相抗衡的，但是在其晚年的最后时刻，其燃料用尽，再也没有办法支撑自己，引力失去了抗衡，恒星自身开始向中心坍缩，并不断挤压核心的物质。当核心物质被挤压成为一颗“中子星”时，情况又一次发生变化。中子星是我们目前所知的最致密最硬的物质，在中子星形成的瞬间，恒星外层向内塌陷的物质会被突然成型的中子星表面反弹而回，于是一个剧烈坍缩的过程就变成了一个剧烈的爆炸。爆炸的过程会进一步向中子星施加压力，如果压力大到连中子星也无法承受，中子星再进一步坍缩，便形成了一个黑洞。
超新星爆发形成的黑洞，其质量不会超越超新星爆发之前的恒星，而典型的大质量恒星的质量一般不会超过1000倍太阳质量。而星系中心的那种超大质量黑洞（十万倍以上的太阳质量），更可能是超新星爆发后形成的小型黑洞不断吞噬外界物质，逐渐长成的。
↑ 超新星爆发的艺术呈现图，小质量的黑洞可以诞生于超新星爆发所产生的巨大压强中
（如果想了解更多关于超新星爆发的知识，可以阅读笔者之前的一篇相关文章：天文科普 | 群星的涅槃）
10
黑洞一旦形成，就只会往里吃，不会往外吐吗？那么黑洞是不是只会越长越大，永远没办法“瘦回去”？
并不是的，我们的宇宙中，没有什么东西可以永垂不朽。黑洞也不例外。落入黑洞的物质虽然无法逃脱，但是黑洞会和真空有一定的交互作用，使得黑洞会缓慢地向真空中损失能量，这一个现象是去年去世的著名天体物理学家霍金预言的，被称为霍金辐射。一个黑洞如果没有新的物质补充，将通过霍金辐射慢慢地损失能量和质量，直到最后完全消失。这个过程也常常被称作“黑洞蒸发”。
值得一提的是，按照霍金辐射的推算，质量越小的黑洞，蒸发速度越快，如果黑洞质量小到一定程度以下，那么它的蒸发速度将比吸收外界物质的速度更快，这样的黑洞会约蒸发越快，最后在一场剧烈的爆炸中化为纯粹的能量消散殆尽。因此，科学家制造的大型粒子加速器虽然有制造微型黑洞的潜力，但是我们不用担心那些微型黑洞把地球吞没掉：远在这些微型黑洞有机会吞食任何物质之前，就已经因为霍金辐射而先爆炸消失了。
↑ 史蒂芬·霍金，摄于1980年。霍金于1974年提出黑洞的霍金辐射理论，这也是他最富盛名的成果之一。
【录音中笔者有两处口误，特此更正如下】
9分06秒：“显微镜” 应为 “望远镜”
20分40秒、48秒：“26000光年”应为“26000年”
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作者 | 10年+天文爱好者
生物物理专业PhD，多伦多大学AstroBiology授课讲师。把Elon Musk奉为英雄，认为人类如果不能迈向宇宙将是天大的悲剧。
逃逸的粒子
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原创天文科幻笔记
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