黑洞照片確實是黑洞真實存在的視覺證據，但又不是在可見光下的樣子，它們是由虛擬口徑可達地球直徑大小的“事件視界望遠鏡”在230 GHz的射電波段上拍攝到的。觀測到的數據經過計算機分析、處理、合成，最終才能成為人們所看到的黑洞照片。因此，我說這些照片是真實的，但并不是人眼直接能看到的那種真實。

我所在的國際研究團隊聚焦非熱輻射對黑洞陰影的影響聯合開展研究。具有連光都無法逃逸的極端引力環境的黑洞是我們研究物理規律的太空實驗室，而揭開黑洞照片背后對應的物理機制則是我們工作孜孜不倦的使命追求。

近日，研究成果以論文的形式發表在國際天文學權威期刊《天文學與天體物理學》（A&A），題為《在雙溫廣義相對論磁流體力學模擬下考慮非熱輻射對M87*黑洞陰影及噴流圖像的影響》。（相關研究成果請見《》）作為這篇文章的第一作者，我很高興能有機會和大家談談黑洞照片背后的故事以及我們這項新研究工作的意義。

本人才學疏淺，疏漏在所難免，請讀者批評指正。部分圖片來源網絡，侵刪。

黑洞照片，并不是可見光下的樣子

這些隱藏在眾星之間閃耀得怪異的黑洞，好似躲藏在干草中的珩鳥；它們低頻的射電輻射混淆在星光中，一如珩鳥的歌聲藏在風里。

黑洞照片如今已經成為“全球網紅”。事件視界望遠鏡的不斷壯大和技術革新將使得科學家可以分享更多引人注目的照片，未來還有望為黑洞拍攝動態的電影。

圖：事件視界望遠鏡合作組發布的2017年4月拍攝的M87*照片和2018年4月拍攝的新照片。新照片最亮的部分相較于2017年的結果沿逆時針偏轉了約30度，這可能是由于周圍湍流物質變化引起的。兩張照片的高度一致性有力地證實了此前“看到”的確實是黑洞陰影以及它周圍高速繞轉的物質。（來源：事件視界望遠鏡合作組）

如果將照片是否“真實”定義為是否可被人類肉眼所見，那么這里的黑洞照片自然不是“真實”的。

首先可以明確一點，所謂“黑洞照片”并不是黑洞在可見光下的樣子，而是把射電數據用自然顏色標記后的結果。諸如星系、恒星這樣的天體，如果你看到的是它們在可見光波段的照片，那么它們的顏色就可能是“真實”的。

可見光只是電磁波譜中的一小區域

根據波長由長到短，電磁輻射可以分為射電（波長大于1 mm）、紅外、光學、紫外、X射線和γ射線等波段。人類大腦向你展示的世界的僅僅是可見光下的世界，而這并不是世界的全部面目。

圖：各個波段的電磁輻射（來源：網絡）

夜間人的視力比較差，但一些蛇類卻擁有可以在夜間捕獵的紅外線傳感器；僅僅是同一束花朵，我們熟知它在我們眼中的樣子，但對于能夠看到紫外線的蜜蜂來說，它們卻能夠感知到我們無法感知的花朵上的蜜源標記；雖然你看不到手機收發射電信號的傳播過程，但你卻可以熟練地用它上網甚至可以看到未曾相識的作者寫的本文。

類似地，不同波段的望遠鏡所看到的同一天體的圖像也略有不同。蟹狀星云是位于金牛座的著名的超新星遺跡，它的歷史可以追溯到《宋史》記載的1054年觀測到的超新星爆發事件。下圖展示了射電、光學、X射線波段和多波段下的蟹狀星云的圖像。

圖：射電（a）、光學（b）、X射線波段（d）以及多波段（c）下的蟹狀星云。（來源：見圖注）

理解可見光和射電波段的概念后，讓我們把目光轉回黑洞照片。黑洞照片所包含的是射電波段的黑洞陰影以及它周圍高速繞轉的物質，而不是擁有事件視界的黑洞本身。

黑洞區別于其他天體而存在最重要的一個特征是它有事件視界。穿過事件視界墜入黑洞的光和物質無法逃脫，因此我們無法看到黑洞自身。

然而，如果黑洞“穿戴”周圍物質形成的吸積盤，也就是內有吸積流的轉動氣體盤，落向黑洞的物質被加熱并開始發光，引力能轉化為電磁輻射，我們就能“看見”黑洞陰影，也就是事件視界周圍的不穩定光域的剪影：黑洞背面的光線被黑洞吞噬留下陰影，而擦事件視界而過的光線在引力透鏡的作用下照亮陰影周圍的區域，于是黑洞就在氣體吸積輻射背景下投下了剪影。

對于黑洞陰影的研究，有助于人們了解黑洞的質量、朝向和自旋等信息，對廣義相對論進行檢驗。

如何理解黑洞照片背后的物理機制？

備注：你如果對黑洞照片背后的原理比較感興趣，可看這段，如果頭大了，請跳過。

數值模擬有助于我們了解黑洞陰影背后蘊含的物理機制。通過廣義相對論磁流體力學模擬和廣義相對論輻射轉移計算可以獲得理論預言的黑洞照片，而觀測圖像為理論預言提供參照，將二者對比便可以得知物理模型是否正確。

獲取電子的溫度和速度分布是模擬中最重要的問題之一。電子繞磁力線旋轉而發出同步輻射被認為是黑洞陰影的輻射來源。同步輻射功率與電子速度分布有關，而溫度是分布函數中的重要參數。

從微觀上來看，單個電子的速度會與其他電子碰撞而不斷變化，但當一個系統達到平衡時，處于給定速度范圍內的電子所占比例幾乎不變，電子處于局域熱平衡狀態。當電子速度未達到相對論極限時，描述這樣的速度分布的函數被稱為麥克斯韋-玻爾茲曼（Maxwell-Boltzmann）分布，而相對論形式的分布為麥克斯韋-尤特納（Maxwell-Jüttner）分布。在黑洞周圍極端環境中，磁重聯、湍流等都可能對電子產生加速，使其偏離麥克斯韋-尤特納分布。

我們這次研究究竟有什么發現？

備注：你如果對我們的研究比較感興趣，可看這段，如果頭大了，請跳過。

我們利用計算了氣體溫度和電子溫度（即論文標題中“雙溫”）的GRMHD模擬數據，使用κ分布來描述電子的速度分布，進行了GRRT計算，比較了不同電子加熱方式、電子分布函數、不同傾角、不同自旋和不同頻率下的M87*黑洞陰影的圖像。

結果表明，黑洞的特征與電子分布函數、電子加熱機制、電磁輻射（射電）頻率、磁化區域都有關系。在強磁化區域中，通過磁重聯方式，電子被加熱，我們將可能觀察到更強的朝向我們的噴流。并且，隨著觀測頻率的降低，噴流占輻射總量的比重變得更大，也對應著更多的非熱電子輻射。這一發現為研究黑洞特征補充了一條重要的思路。假如未來我們建立起空間VLBI（甚長基線射電干涉測量）陣列，就有可能把接近黑洞陰影的噴流“看”得更清楚。

圖：前兩行為230 GHz下Rh=1模型和湍流模型模擬的M87*黑洞圖像。后三行分別為為230 GHz、86 GHz和43 GHz下磁重聯模型模擬的M87*黑洞圖像（來源：Zhang et al. 2024)

躲在氣體和塵埃背后的巨型黑洞

圖：銀河拱橋（來源：本文作者）

夜幕降臨，銀河拱橋從東方群山中升起。銀拱右下角是壯麗的銀心，而橫貫夜空的銀河塵埃帶擋住了絕大部分來自銀心區域的可見光。

銀心里面有什么？1933年，貝爾實驗室的卡爾·古特·央斯基發現銀河中心在持續發射無線電波，自此創立的射電天文學，突破了可見光的束縛，成為人類新的“眼睛”。借助這一新的“眼睛”，除了M87星系中央黑洞（M87*）黑洞照片外，事件視界望遠鏡合作組還于2022年公布了銀河系中心黑洞Sgr A*（Sagittarius A*，人馬座A*）的照片。

類似地，這一照片同樣不是在可見光下的樣子，我們無法看見，但射電望遠鏡可以看見。

圖：銀河系中心黑洞照片。（來源：事件視界望遠鏡合作組）

我們雖然無法看見射電波段的黑洞，但依舊可以體驗星空和物理學的魅力。當你站在光污染很少的夏季無月晴夜之下，身后是“白色”群星映出的人影。抬頭望去，北斗七星、牛郎織女天津四、海豚座、銀河塵埃帶將成為你星辰航海時迷霧中的燈塔。

你也許會疑惑，為什么我們肉眼看見夜空中綴滿的繁星幾乎都是白色，而不似相機圖片那樣絢麗多彩？那是因為在暗夜中，人眼視桿細胞起主要作用，但是它對色彩并不敏感。

當然，細心的觀察者仍有可能一睹如彩虹般呈現不同色彩的夜空。無論如何，你知道多彩的世界就在你眼前，躲藏在銀心塵埃帶背后還有一個持續發射無線電波的黑洞。浩瀚無垠的宇宙大門永遠為你敞開。

夜空，就像亞哈船長的大白鯨一樣，在蒼白中遮掩自身的浩瀚，把所有尋找它的人拖入了黑色的深淵。