黑洞照片確實是黑洞真實存在的視覺證據(jù)，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(shù)據(jù)經(jīng)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(lián)合開展研究。具有連光都無法逃逸的極端引力環(huán)境的黑洞是我們研究物理規(guī)律的太空實驗室，而揭開黑洞照片背后對應(yīng)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(fā)表在國際天文學(xué)權(quán)威期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（A&A），題為《在雙溫廣義相對論磁流體力學(xué)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(guān)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?wù)労诙凑掌澈蟮墓适乱约拔覀冞@項新研究工作的意義。

本人才學(xué)疏淺，疏漏在所難免，請讀者批評指正。部分圖片來源網(wǎng)絡(luò)，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(jīng)成為“全球網(wǎng)紅”。事件視界望遠鏡的不斷壯大和技術(shù)革新將使得科學(xué)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(tài)的電影。

圖：事件視界望遠鏡合作組發(fā)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(jié)果沿逆時針偏轉(zhuǎn)了約30度，這可能是由于周圍湍流物質(zhì)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(zhuǎn)的物質(zhì)。（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(shù)據(jù)用自然顏色標記后的結(jié)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(qū)域

根據(jù)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(xué)、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(wǎng)絡(luò)）

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(fā)射電信號的傳播過程，但你卻可以熟練地用它上網(wǎng)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(fā)事件。下圖展示了射電、光學(xué)、X射線波段和多波段下的蟹狀星云的圖像。

圖：射電（a）、光學(xué)（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(zhuǎn)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(zhuǎn)的物質(zhì)，而不是擁有事件視界的黑洞本身。

黑洞區(qū)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(zhì)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(zhì)形成的吸積盤，也就是內(nèi)有吸積流的轉(zhuǎn)動氣體盤，落向黑洞的物質(zhì)被加熱并開始發(fā)光，引力能轉(zhuǎn)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(wěn)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(qū)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(zhì)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?zhí)^。

數(shù)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(xué)模擬和廣義相對論輻射轉(zhuǎn)移計算可以獲得理論預(yù)言的黑洞照片，而觀測圖像為理論預(yù)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(zhuǎn)而發(fā)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(guān)，而溫度是分布函數(shù)中的重要參數(shù)。

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(tǒng)達到平衡時，處于給定速度范圍內(nèi)的電子所占比例幾乎不變，電子處于局域熱平衡狀態(tài)。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(shù)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(huán)境中，磁重聯(lián)、湍流等都可能對電子產(chǎn)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(fā)現(xiàn)？

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?zhí)^。

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(shù)據(jù)，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(shù)、不同傾角、不同自旋和不同頻率下的M87*黑洞陰影的圖像。

結(jié)果表明，黑洞的特征與電子分布函數(shù)、電子加熱機制、電磁輻射（射電）頻率、磁化區(qū)域都有關(guān)系。在強磁化區(qū)域中，通過磁重聯(lián)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(yīng)著更多的非熱電子輻射。這一發(fā)現(xiàn)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(lián)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(qū)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(fā)現(xiàn)銀河中心在持續(xù)發(fā)射無線電波，自此創(chuàng)立的射電天文學(xué)，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(xué)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?nèi)庋劭匆娨箍罩芯Y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(xiàn)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(xù)發(fā)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。