【要闻】见证人类第一张黑洞照片：宇宙“巨兽”露真容

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写论文|郭福来中国科学院上海天文台研究员、博士生导师、“黑洞反馈与宇宙线天体物理”研究组首席科学家

北京时间4月10日，事视界望远镜( eht )国际合作项目宣布，黑洞照片首次登场！ 然后，在世界6个地方(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)以英语、西班牙语、中文和日语4种语言举办世界新闻发布会。

《天体物理学杂志通信》4月10日以特刊的形式在6篇论文中发表了这一重大结果。 这个黑洞的图像显示了处女座星系团中超大质量星系m87中心的黑洞。 这个黑洞离地球5500万光年，质量是太阳的65亿倍。

这是史无前例的黑洞“狩猎”！ 这是事视界望远镜国际合作项目年观测，近两年分解产生的重大科学成果，200多名科学家、工程师和技术人员参加，动员了散布在世界上的9个天文台的力量。

我们多么幸运，第一次成为黑洞照片诞生的第一个人类！

什么是黑洞？

引力波和黑洞都是爱因斯坦广义相对论的理论预言，1915年爱因斯坦发表了划时代的理论——广义相对论，第二年用这个理论预言了引力波。 之后，他花了近20年的研究相信引力波是真实的，人类在近100年后第一次检测到引力波。 引力波和黑洞的相关理论发表于同年( 1916年)。 那一年，德国物理学家卡尔·施瓦西瓦解了广义相对论的第一个精确解:施瓦西解，也就是我们现在知道的静态和球对称的施瓦西黑洞。

在随后的几十年里，黑洞的研究进展缓慢，没有人知道在广阔的宇宙中是否真的存在支持史瓦西解的天体，许多学者只是对这个解的理论和数学结构感兴趣。 1939年，奥本海默和斯奈德发现，球对称的大质量恒星在核能枯竭后，在重力的作用下直接沉入中心。 1958年，芬克尔斯坦做出了划时代的贡献，发现在史瓦西半径(是黑洞的特征半径，也称为重力半径和事件视界)内，任何粒子和光都无法逃离黑洞。 因此，从约1963年开始，对应斯瓦西解的天体被称为黑洞，特别是在1967年被普林斯顿大学著名的物理学家约翰·惠勒使用后，“黑洞”一词得以传播。

从1970年左右开始，天文学家在宇宙中发现了可能存在黑洞的观测证据。 天文学家发现的黑洞候选体的原则可以分为恒星质量黑洞和超大质量黑洞两大类。 关于质量介于它们之间的中质量黑洞，现在的观测证据相当少。

年，人类首次检测到来自宇宙的引力波，引力波的检测可以说是近年来物理和天文学界的最大突破之一。 不仅进一步验证了广义相对论，还为引力波和黑洞的存在提供了重要的观测证据。 因此，三位对这个项目起决策性作用的科学家迅速在年获得了诺贝尔物理学奖。 这次引力波信号的持续时间不到1秒，天文学家相信两个质量分别来自约30倍和35倍的太阳质量黑洞的碰撞。 这与理论预期一致，广义相对论的计算表明运动质量有变化的加速度会发射引力波。 大部分情况下，引力波的辐射非常微弱，但黑洞和中子星等互相旋转的致密的两个天体是天然的引力波源，合体前发射的引力波比较强。

近年引力波事件检测出的黑洞是恒星质量黑洞，质量几乎在几倍到几十倍的太阳质量之间。 对于这样的黑洞，我们已经很理解了，我们相信它们是大质量恒星进化的最终产物。 据估计，银河系中约有千亿颗恒星，其中大质量恒星寿命较短，多数应该已经进化成黑洞，银河系中约有1亿颗恒星的质量黑洞。 现在人类在银河系中只检测到几十个这样的黑洞候选体，其中离我们最近的黑洞麒麟座v616离我们约3000光年。

当未知的黑洞接近我们家的太阳系时，可能会散射太阳系外的小天体进入太阳系内。 黑洞进入太阳系后，也会影响地球的运行轨道，对地球的生命产生毁灭性的影响。 黑洞吸收过程中产生的高能辐射和射流也可能对地球产生巨大影响。

超大质量黑洞:银河中心的巨兽

这次事视界望远镜( eht )国际合作项目勘探的两个黑洞分别是位于银河系中心黑洞和室女座方向的椭圆银河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一般在一百万倍到百亿倍的太阳质量之间，其典型值是几亿倍的太阳质量。 理论上黑洞的质量集中在中心密度无限大的奇点，奇点以外是弯曲纠缠时空。 但是，如果把黑洞的引力半径看作黑洞的大小，质量越大的黑洞看起来越“胖”。 关于10倍太阳质量的恒星质量黑洞，重力半径约为30公里，接近上海崇明岛的大小，非常致密，平均密度超过了中子星的物质密度。 在太阳质量的1亿倍的超大质量黑洞中，重力半径增大到太阳与地球距离的2倍，但平均密度相当于地球上的水的密度，也相当于太阳的平均物质密度。

现在观测到的超大质量黑洞基本位于银河的中心。 我们银河系的中心有大约400万倍太阳质量的黑洞，在超大质量黑洞中比较小，其引力半径约是日地距离的十分之一。

作为宇宙的基本结构单元，银河是黑暗广阔宇宙的明亮岛屿，含有很多暗物质、恒星、气体等物质。 银河系中约有千亿颗像太阳一样因中心核聚变而发光的恒星。 另外，天文学家相信各大质量星系的中心有超大质量黑洞。

超大质量黑洞经常被称为宇宙巨兽，但这应该不是为了它们的体积。 在典型的1亿倍太阳质量的超大质量黑洞中，重力半径约等于400倍的太阳半径，只是银河相邻两颗恒星平均距离的十分之一。 超大质量黑洞之所以被称为宇宙巨兽，是因为它的质量巨大，达到了一百万倍到百亿倍的太阳质量，对银河的影响很大。 超大质量黑洞可以主导比重力半径大几千万倍的银河中心区域的重力，产生的能量爆炸深刻影响比重力半径大10亿倍以上的银河中的气体分布和恒星形成。

如果把银河缩小到地球的大小，其中心的超大质量黑洞就只有花生的大小。 但是，位于“地球”中心的“小花生”在“吃”(吸收物质)过程中发生的能量爆炸，深刻地影响着“地球”整体的气候变化(气体运动)和生命成长(恒星形成)。 超大质量黑洞对银河的影响通常被称为反馈作用，是当今天文学研究的热点前沿方向之一。

宇宙巨兽的休眠和爆炸

那么，超大质量黑洞是如何通过反馈机制影响整个星系的进化的呢？ 巨大质量黑洞在其强引力的作用下，可以被气体和恒星等附近的物质吸收运动。 吸收的物质一般具有角动量，形成围绕黑洞旋转的积盘和比较厚的积流，其中一部分最终进入黑洞。 由于黑洞的致密性和强引力，黑洞的吸收过程释放出大量的引力能，转化为吸收的物质的动能，其中的一些动能在气体之间的“摩擦”或磁场的作用下消散在气体内。 黑洞的吸收过程可能是众所周知的宇宙中能量转换效率最高的物理过程。 其能源购买率是热核聚变能源购买率的几十倍。

黑洞吸收过程中释放能量的方法主要有三种，有光辐射、准直性好的喷流、张角大的流出。 光的放射和流出可以强烈影响超大质量黑洞的周边环境，喷流和强流出可以传递到银河，甚至更大的空之间的尺度。 因此，这些释放的能量与银河内的气体相互作用，直接影响黑洞的吸收流(例如流出改变了黑洞的吸收率)，影响了黑洞向吸收系统的物质供给，也影响了银河内的气体动力学和恒星的形成

现在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收物质的过程中释放出强大的电流射流，在星系团内区产生半径几千到几十万光年的大气泡。 这些大气泡中含有很多在喷流中输送和加速的高能粒子，产生了可观测的电波辐射。 星系团中含有很多产生x射线放射的热气体，喷流产生的电波气泡排出其周边的星系团气体，星系团的x射线图中产生x射线放射明显弱的空孔、浪涌、声波等结构。 观测到黑洞的喷流向星系团气体传播的能量足以弥补因x射线辐射而损失的能量。

由于强大的能量释放，处于吸收物质阶段的超大质量黑洞可以称为爆炸中的宇宙巨兽。 相应地，停止物质的吸收或非常低吸收率的超大质量黑洞可以称为休眠中的宇宙巨兽。 因为黑洞在“吃饭”中爆炸，这个爆炸中的宇宙巨兽也在积极成长。

一个超大质量黑洞很可能在其成长过程中经历了多个“爆炸-休眠-爆炸”的周期性轮回。 银河系约亿颗恒星的质量黑洞中，现在因发生x射线辐射(“爆炸”)而被人类检测出的只有20多颗，几乎所有恒星的质量黑洞都被证明处于休眠状态。 同样，附近宇宙的大部分超大质量黑洞也在休眠。 我们知道宇宙在继续膨胀，过去宇宙的物质更密集，银河的气体含量也更高，超大质量黑洞的爆炸也很可能比今天的宇宙频繁发生。

银河中心黑洞–人马座a*

迄今为止，超大质量黑洞存在的最强证据是我们银河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，是1974年在电波波段观测到的，位于人马座，后面的星号“*”主要是这种令人兴奋的观测信号，在原子物理中也是原子的激发状态( excited states ) 人马座a*是事视场望远镜拍摄黑洞的两个超大质量黑洞之一。

人马座a*附近有一点做开普勒运动的质量很大的恒星。 近20多年来，德国和美国的一些研究小组追踪了这些恒星的运行轨道，因此位于射电源人马座a*上的太阳系大小附近的极小空之间存在约400万倍的太阳质量天体，在人类现有知识中几乎是超大质量 这是事视场望远镜拍照黑洞之前超大质量黑洞存在的最好观测证据。

最近的观测确实发现了人马座a*过去可能经历过爆发期的证据。 年的国际十大物理事件之一是在内银河中发现费米气泡。 这是在高能伽马射线波段发现的、银河系中心上下两个巨大的椭圆形气泡。 每个气泡沿着银河系对称轴方向的长度约为3万光年，相当于从银河系中心到银河系太阳的距离。 现在，天文学界对费米气泡的起源没有定论，但来自人马座a*的能量爆炸的可能性最高。 笔者建议年来自银河系中心黑洞的喷流自然产生费米气泡。 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，产生费米气泡的射流发生在数百万年前，持续了大约1百万年。 当时人马座a*的吸收率大约是每1万年吸收一个太阳质量的物质，是现在吸收率的1万倍。 在更古老的过去，人马座a*可能经历了吸收率很高的爆发期。 因为这个吸收率在宇宙年龄仅仅是吸收还不足以制造现在质量的银河系的中心黑洞。

现在人马座a*处于休眠期，其物质的吸收率大约1亿年只吸收一个太阳质量的物质。 人马座a*过去的吸收率也一直如此的话，要达到现在的质量( 400万倍的太阳质量)需要400兆年的吸收，这个时间远远超过现在宇宙的年龄( 138亿年)。 这个论证可以证明银河系中心黑洞过去一定经历了成长迅速的爆发期。

作为第一次看到黑洞真面目的碳基生命，人类，我个人觉得非常幸运。 但这只是开始，事视界望远镜每年观测m87和银河系中心黑洞，4月10日发表的只有一方，另一方的数据解决·分解还在进行中。 将来的观测有望以前所未有的精度严密验证爱因斯坦提出的广义相对论，探索接近黑洞重力半径附近的吸收流和流出物理。

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