探索黑暗——通向黑洞视界面之路

这幅图模拟了在黑洞附近进行轨道运动的气体物质高速运动的场景。对于银心可能存在一个超大质量黑洞的假说，欧南台精密灵敏的重力仪（GRAVITY）给出了进一步的证据。新的观测表明，在一个400万太阳质量的黑洞外侧，有气体团块正在以30%的光速在圆形轨道上围绕其运动。这也是人类首次在距离“不归点”这么近的位置观测到物质的轨道运动，而且观测数据还前所未有的详尽。图片来源：ESO/Gravity Consortium/L. Calçada

黑洞既大，又小；既复杂，也简单。它也许是理解宇宙最基本真理的关键，但目前为止对于我们而言它始终都只是望远镜图像上的像素点。周围的物质照亮了黑洞的“阴影”，揭示 出视界面的形状。正所谓，宇宙中看不见的天体，却可能是最明亮的。它的“明亮”我们已经有所了解，但那光辉下面真的隐藏着深不可测的黑暗吗？幸运的是，百年来我们的问题第一次有可能得到回答，科学家们已经指出了一条探索黑暗的道路。

远一点：

让我们作壁上观

公元20世纪，位于浩渺银河系中的地球这颗小小行星上的人类就已经知道黑洞的存在了。我们的眼睛对可见光波段敏感，而且生来富有好奇心，研究星空成了我们义不容辞的课题。

在相比于宇宙演化时长很短的时间内，人类已经考察出了地球本身的形状，理解了太阳系运转的规律，确认了自己在银河系中的位置。夜空中，那些像是黑色幕布上被扎穿的明亮针孔，有的是与太阳相似的恒星，有的则是与银河系相似的星系。但是，宇宙中还存在着 一种并不会发光的天体，被称作黑洞。今天，黑洞的存在几乎可以确定，但是我们和黑洞还有一些纠葛尚未解开。

黑洞本身不会发光，它的引力大到连光都无法逃逸出来，所以我们不会看到任何来自于它的光，宇宙中的其他任何物体也同样不可能逃出它的掌控。一旦距离黑洞足够近，都会被它拖入其中，它的引力强大到就连时空本身也被挤压得变了形。与“黑洞”这个名字稍有不符，黑洞本身并不真的是悬挂着的一个洞或是一扇门，它是球状的。从取名鬼才惠勒的角度看，黑洞也就比物理习题中经常出现的质点小球略微复杂一点点，毕竟它只有质量、自旋和角动量“三根毛”。它还有一个被称为视界面的边界，那是一个理论的临界，在那里不存在任何实体，但是进入视界面意味着绝对不可能返回。

图1 银河系中心黑洞人马座A*的多波段图像。图片来源：A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI

引力理论孕育出了黑洞这颗“珍珠”。

 广义相对论公布的次年，史瓦西就首先解出了真空中不旋转黑洞，爱因斯坦还曾愉快地称赞他：得出了他未曾预期过的简单的时空精确解。也许你仍对黑洞满腹狐疑，没有关系，因为20世纪最伟大的头脑也同样曾为之困扰，就算黑洞是爱因斯坦场方程的解，但它由于太过离奇，爱因斯坦本人也一直对黑洞持有怀疑。因此在一段时间内，人们对黑洞都不太关心，大家寄希望于存在某种机制阻止这类天体形成。但到了上个世纪60和70年代这一现象才得以改变，从那时开始一系列在天文史上闪耀而富有洞察力的猜想和证明相继出现：林登-贝尔推测类星体存在于星系的中心、克尔得到了旋转黑洞的解、X射线双星天鹅座X-1被确认为第一个黑洞候选体。而学界态度的真正转变得从银河系中心超大质量黑洞的发现算起，这项荣耀属于贾斯领导的科学小队。

之前科学家们对类星体、X射线双星和星系中心的真身到底是什么始终莫衷一是。在观测到这些天体之初，这些疑团各自散落，但是现在似乎都可以被拼凑到一起：几乎所有的星系中心都存在着大质量的黑洞，而许多X射线双星中也都有小质量的黑洞。黑洞解释了越 来越多的观测现象（包括引力波），在经历了潮水一般的质疑后，它依然屹立不倒，当今的大多数学者都相信，黑洞这种不可思议的天体确实是存在的。

如今，我们还发现它有许多颠覆以往认知的特性，比如黑洞并不稀少。是的，黑洞很多，多到你大可以随便往头顶一指，声称那里有一个黑洞；甚至于，黑洞也并不罕“见”，能被人类“看”到，这和任何物质都不能离开黑洞的论述并不矛盾。那是什么在发光呢？论及这个原因，需要我们离开地球，与黑洞靠得更近一些。

近一点：

请保持“安全”距离

事实上，并不是所有的黑洞都是全黑的。一些没有物质吸积的黑洞确实没有任何光亮，它们隐匿地潜行在宇宙空间中，但另一些黑洞还是不甘寂寞地留下了行踪。大家都想凑近看看这个家伙，但前提是和这个庞然巨兽保持足够安全的距离。只要我们处在名为粒子最内稳定轨道的范围以外，就始终可以保持一定的角动量围绕着黑洞旋转，而不至于掉入万劫不复的境地。在这个距离上，已经可以真切地看到黑洞对时空造成的翻天覆地的变化。

这些黑洞的周围远非空空如也的空间。非常喧嚣，非常拥挤，非常炙热，这里发生着宇宙中最高能和闪耀的现象。黑洞强大的引力会将附近的恒星撕裂成碎片，这些碎片虽然如飞蛾扑火一般趋近黑洞，但并不会纵身一跃直接跌落进去。它们会在黑洞旁边聚集，形成一个物质的吸积盘。越靠近视界，吸积盘就会被压缩得越紧密，它们变得更加拥挤和狂热，温度可以达到惊人的数十亿摄氏度，发出大量不同波长的辐射。这在黑洞周围形成了一个发光的吸积盘，它构成了黑洞闪耀迷人的裙边，即使在宇宙的深处我们也能清晰地看到它的光点。

图2  这是艺术家绘制的被高速旋转吸积盘围绕的超大质量黑洞示意图。组成吸积盘的物质中包括一颗类太阳恒星被黑洞的潮汐力撕裂后产生的剩余物。这些碎片互相发生碰撞产生冲击以及吸积过程中产生的热能共同造就了这夺目的光辉。图片来源：ESO,ESA/Hubble,M.Kornmesser/N.Bartmann

奇点： 

在黑洞的最深处，物质坍缩成的一个密度无限大的区域，被称为奇点。这里是所有落入黑洞的物质和能量的最终归宿。无限大的密度预示了相对论理论在这一点处已失效，而量子效应开始显现其作用。

视界面：

 这是一个以奇点为圆心向外的区域，在这个区域以内的物质和能量都无法逃脱黑洞引力的束缚，因此也被称作“不归点”。这就是黑洞为人所知的“黑”的部分。

光子层： 

尽管黑洞本身是黑的，但是来自周围炽热喷流和吸积盘中的等离子体的光子却可以辐射出来。在没有强引力的情况下，光子沿着直线传播，但是在黑洞的视界面附近，引力强到足以弯曲光的路径，正因为如此我们才能看到的环绕黑洞“阴影”的明亮光环。视界望远镜有希望直接看到黑洞的光环和“阴影”。

相对论喷流： 

当一个黑洞吞噬恒星、气体或尘埃时，会从黑洞两极处接近光速地喷射出粒子流和辐射。这些喷流在宇宙中延伸的长度可达数千光年。全球毫米波甚长基线干涉阵（GMVA）将探究这些喷流的形成过程。

最内稳定轨道： 

最内稳定轨道是物质能够稳定地保持绕黑洞旋转而不至于落入“不归点”的最小轨道。

吸积盘： 

这是以极高速在黑洞附近盘旋的炙热的气体和尘埃组成的一个物质盘。吸积盘产生的电磁辐射（X射线、光学、红外和射电辐射）可以揭示黑洞的位置所在。盘上的一些物质免不了穿过视界面的厄运，同时另一些则可能会以喷流的形式被喷射出去。

除了在吸积盘上排着队等待掉入黑洞的物质以外，还有一些物质会沿着黑洞的自转轴逃出生天，形成长达几千甚至几百万光年的喷流。喷流并不是从黑洞内部射出的，一种较为普遍的解释是，吸积盘上的磁场对粒子进行了加速。喷流在宇宙中很有辨识度，它又细又长，而且高度准直，地球上的望远镜就可以分辨它。由于环境物质的辐射作用，黑洞周围成了宇宙中最耀眼的地方之一。

图3 当物质随着吸积盘旋转运动掉入黑洞时会被加热并释放出能量，这一过程也使得吸积盘变得更亮、更热。图片来源：NASA/Goddard Space Flight Center

化用一下拉普拉斯的句子：宇宙中看不见的天体，却可能是最明亮的。在没有切切实实看见一个黑洞的情况下，光凭着光辉的吸积盘和壮观的喷流，我们也相信那里潜藏着一个不露声色的黑洞了。天文学家通过黑洞周围的吸积盘，间接地试探黑洞本来的面貌。通过望远镜观测，天文学家已经可以测到黑洞旋转的快慢。虽然黑洞还没有向我们昭示它的面貌，但是我们已经可以“看”到它的存在。

过近警告：

被视界面分隔的时空

它像是个陷阱，像是造物的遗漏，也有人说它是宇宙的吸尘器。事实上，想要用任何常物来比喻黑洞，都只能是一种奢望。看起来黑洞就像是一颗引力强得离谱的天体而已，但它远远不止那么简单，黑洞既是一种天体，也不是一种天体。甚至于，它不是任何日常物质的组合。黑洞是被限定的一块空间和时间的区域，或许会有物体被吸入视界面以内，但是在掉落的过程中，物质也仅仅是在弯曲的时空面上滑行的冲浪板而已，这片陷落的时空漩涡，才是黑洞本身。基普·索恩曾在书中说道：“黑洞就是由弯曲的空间和弯曲的时间构成的，除此无他”。

由抽象的时空组成的黑洞，其数学形式也极其简单，借助神奇的几何语言就能简洁地编码真空中黑洞的全部时空状态。所谓的全部，指的是从我们看不到的视界之内，到远离黑洞的视界之外的所有的位置（除了奇点）。那里的时间是怎样流逝的，空间又有多么扭曲，潮汐力的撕扯有多么剧烈，我们都可以清楚地掌握。不过，在我们这种生活在平静均一的时空膜上的生物眼中，一切都会是异常的。

图4  黑洞艺术图。

图片来源：https://www./programs/ darkness-visible-shedding-new-light-black-holes/

但最异常的要属黑洞中心，那个不动如山的奇点，它是事实上整个星系的主宰。在最内稳定轨道以内的空阔区域里，离群的物质被无可挽回地拖进视界，等待它们的结局是奇点的拥抱。奇点的奇异性令人匪夷所思，在那里潮汐力无穷大，理论上，三维的时空会被压缩成一维的，不管落进去的是什么，在奇点处都只能成为体积为0，长度无限长的一根物质流，因此奇点使我们无从下手。此处代表一个还未被打开的秘密，惯常使用的广义相对论在奇点失去了光彩，我们对它的了解还很不够。

看向深渊

视界面持续吸引着我们的注意力，故事在视界面处发生了微妙但决定性的变化：从极热发光的吸积盘上被黑洞拉向深处的物质甚至感觉不到有什么不妥。越过视界面的瞬间可以说是悄无声息的（当然，黑洞潮汐力的拉扯，会在视界面以外很远的地方就使活着的生物意 识到大事不妙），但是在穿过处视界表面会记录下这个质点的信息。视界面的神奇令人脑洞大开。

通过观察明亮的吸积盘和喷流，利用逻辑推理得到的黑洞的存在或许还是不能让所有人满意，人们很自然地发问：有没有可能看到黑洞的视界呢？怎么证实这个吞噬光线的天体存在呢？好消息是，科学家正在尝试，让我们看到黑洞真正漆黑的一面。

黑洞环绕着一圈吸积盘，我们已经知道，这个盘不但会发光，而且光度还非常强。由于黑洞极强的引力极度扭曲了附近的时空，行经此处的光子会在时空弯曲的这一面上运动，在遥远的观测者看来，就仿佛是光线发生了偏转，这被称作黑洞的引力透镜效应。来自黑洞 背后的吸积盘或半径更小的不稳定轨道上的光子，因为引力透镜效应不会被全然挡住，而是从视界面边缘绕过黑洞，成像在它的上方和下方。感谢引力透镜效应，它为我们勾勒出了黑洞的轮廓——看起来可能会像是一个被发亮的毛线包裹着的黑色保龄球。“黑”不可测的部分，被称作黑洞的“阴影”，也是视界望远镜（Event Horizon Telescope）致力于观测的目标。

图5  图中模拟了使用视界望远镜观测最终所得图像中黑洞视界“阴影”的样子。图片来源：Medeiros et al. 2018

视界望远镜是一个雄心勃勃的天文实验，分散于全球各地的8个射电望远镜相互协作，一起指向黑洞开展观测。它们从信息的海洋中捕捉各自的音符，共同拼凑成黑洞“阴影”的乐章。视界望远镜的分辨率相当于一个虚拟的地球尺寸的望远镜，人类所有波段望远镜都没有达到过这样高的分辨率，但对于我们的目的而言，这只是必须的。除非有朝一日人类能 疯狂到建造一台覆盖半个地球的望远镜，否则地球上任何单口径的望远镜都无法做到这一点。我们最有可能看清的是银河系中心的超大质量黑洞，大名鼎鼎的人马座A*，它的视界面半径大约有2400万千米，但却离我们2.5万光年远，因此不会比月球上的橘子更容易看到。来自全球各地的射电望远镜和射电阵列共同指向银河系最明亮的中心——那个我们已经仰望了百万年的所在——彼此之间精密地协作来揭示它的面目。尽管人类和头顶的银河 相伴进化着，但我们还从未看到过璀璨的银心中间到底潜藏什么。视界望远镜观测已经完成，天文学家们还需要一点点时间，利用专门的算法和超级计算机重建图像，而最终的数据结果将在不久公开。究竟视界面存在与否，“阴影”的大小或形状会不会与广义相对论的预言有偏差，我们看到的会是明显的“阴影”，还是若干个模糊的像素点？视界望远镜寄托了全人类期待的目光，在将来的几个月中，我们就将面对灼热的线索了。

科学界关于黑洞的讨论分成了两个方向，理论物理学家们依然非常关心强引力场下爱因斯坦场方程的适应性，并且试图解决它和量子力学之间的矛盾。而观测天文学家们已经可以不在论文中讨论黑洞的真实性，而是心安理得地直接研究它周围的物质和结构了。

图6 视界望远镜预期看到的三种“阴影”的形式。图片来源：https:///science