人类群星闪耀时！！！——人类史上第一张黑洞照片全面解析

$\Large\fbox{\textcolor{red}{本篇文章谢绝转载}}$

3个多月前人类史上第一张黑洞照片正式出炉，虽然这个时候蹭热度有点晚，但我还是要把它写完

$\uarr$这个就是人类拍摄的第一张黑洞照片 $\uarr$
什么？！你说你还看过其他的照片？



但我现在可以告诉你，这些都是假的！！！这些都是人类想象出来的！

这一切的一切都要从爱因斯坦说起

这个大佬提出了狭义与广义相对论，主要是这样的：

1.相对速度公式：

$\Large\Delta v=\frac{|v_1-v_2|}{\sqrt{\frac{1-v_1v_2}{c^2}}}$
两物体速庋是 $v_1$, $v_2$ ,它们之间速度的差是过去我们认为叫 $\Delta v$ ,这个公式决定了 $\Delta v=|v_1-v_2|$，没有物体可以超过光速。

2.相对长度公式

$\Large L=L_0* \sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}$
$L_0$是物体静止是的长度， $L$是物体的运动时的长度， $v$是物体速度， $c$是光速。由此可知速度越大，物体按度越压缩，当物体以光速运动，物 体的运动方向长度为0.

3.相对质量公式

$\Large M = \frac{M_0}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$
$M_0$是物体静止时的质量，M是物体的运动时的质
量， $v$是物体速度， $c$是光速。由此可知速度越大，物体质量越大，当物体以光速运动，物体
的质量为正无穷

4.相对时间公式

$\Large t=t_0\cdot\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}$
$t_0$是物体静止时的时间流逝的快慢， $t$是物体的运动时的时间流逝快慢， $v$是物体速度， $c$是光速。由此可知速度越大，物体时间走得越慢，当物体以光速运动，物体的时间就不再逝，从而时间停止。

5.质能方程

$\Large E=mc^2$
质量和能量本质相同

引力场方程

如果只说上面那些最基本的公式，那是远远不够的。接下来，有请伟大的引力场方程！！！
$\Large G_{\mu v}=R_{\mu v}-\frac 1 2g_{\mu v}R=\frac{8\pi G}{c^4}T_{\mu v}$
1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了上述方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。同时黑洞也曾被爱因斯坦预言存在过。

诞生

黑洞的演化过程有点类似于中子星的形成。它们都是由大质量恒星在自身引力作用下坍塌而形成的。然而，当中子星在所有恒星物质坍缩变成中子时，坍缩过程停止并变成一个中子紧密结合的超大质量行星。
黑洞的坍塌过程则不会像中子星一样停止，中子将被巨大的万有引力破碎，变成更基本的粒子，最后成为一个密度极高的物体。因为它的引力太大，第二宇宙速度甚至超过了光速，所以即使是光也无法逃脱它的控制。它周围的所有物体都被它的引力所吸引，因此黑洞在视觉上可以看作是宇宙中的真空吸尘器。
从某种意义上说，恒星类似于黑洞。两者都有一个非常小且非常密集的核心。但它们本质上仍然不同。恒星释放能量，传递到宇宙物质和周围的其他天体，让我们感知它的存在和运动。这种效应被认为是恒星的一部分，所以从我们观察的角度来看，恒星的体积非常大。但黑洞是不同的，除了一个小核心，我们几乎没有观察到它周围的物质。对它散发出的能量的理解仍然非常不足，所以在我们看来，黑洞很小。

吸积盘

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。已观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外，还通过霍金蒸发过程向外辐射粒子。

霍金辐射

霍金辐射是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。1974年由物理学家史蒂芬·霍金提出。有了霍金辐射的理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。 而因为霍金辐射能够让黑洞失去质量，当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小，最终消失。而比较小的微黑洞的发散量通常会比正常的黑洞大，所以前者会比后者缩小与消失的速度还要快。

湮灭

当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。直到黑洞爆炸。

前辈的探索

1915年，爱因斯坦给出了引力场方程的最终形式，这正式宣告了广义相对论的诞生。
1916年，史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解，这个解描述了一种最简单的天体（静止、不带电、球对称的天体）周围的时空弯曲情况。然后，史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径，如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小，那么它就会变成一个黑洞。
比如太阳的史瓦西半径为3千米，地球的为9毫米。如果我们把太阳的半径压缩到3千米以下，太阳就会变成一个黑洞；如果把地球的半径压缩到9毫以下，地球也会变成了一个黑洞。
作为一个天才天文学家，史瓦西非常清楚新生的广义相对论的引力场方程对天文学家来说意味着什么，他怀着极大的热情迅速完成了这些工作，并且得到了爱因斯坦的极大赞赏，他的这些工作也标志着现代黑洞理论研究的开始。
但是，当我们都以为史瓦西会在这个领域继续深入研究，给我们带来更多惊喜的时候，史瓦西却突然在1916年5月去世了（这时他才43岁）。这不由得让我想起了闵可夫斯基，这个第一个深刻认识到狭义相对论意义的数学大师（同时也是爱因斯坦的大学数学老师），刚把爱因斯坦狭义相对论的物理思想给几何化，刚准备在狭义相对论这篇土地里大干一场时，就突然在1909年因急性阑尾炎去世了（45岁，想想在现在，切个阑尾跟切个西瓜一样简单）。
史瓦西去世之后，这一块的研究就暂时被暂停了。一方面，当时量子力学的革命正如火如荼的进行，许多物理学家的注意力都被量子力学吸引过去了；另一方面，在广义相对论-黑洞这一领域，理论物理上的权威爱因斯坦和天文学界的权威爱丁顿都不相信会有黑洞这样密度无限大的怪物。

奥本海默的工作

1939年，年轻的奥本海默根据广义相对论证明了：一个无压力的球体在自身的引力作用下坍缩到史瓦西半径的时候，如果这时候球体的质量比临界质量大，那么引力坍缩之后就不可能达到任何稳定的状态，只能形成黑洞。
用更简单的话说就是：如果球体坍缩到史瓦西半径以下（视界以内），就不再有任何其它的力能够跟引力相抗衡，球体除了继续一直坍缩没有任何其它的出路。
史瓦西半径公式:
$\Large R_s=\frac{2GM}{c^2}$
奥本海默和斯尼德还用广义相对论精确的研究了一个理想球形、无自转、无辐射的恒星的坍缩过程，他们通过精确的数学计算得到的公式给我们描述了这样一幅图景：在远离恒星的地方观看恒星的坍缩，我们会看到恒星坍缩到视界的时候就会完全冻结，如果站在恒星表面观察，会看到坍缩迅速通过视界，然后迅速坍缩。
这个结论是从广义相对论推算出来的，但是当时绝大部分的物理学家都拒绝相信这种结果，大部分人觉得在如此强的引力面前广义相对论未必有效，而且就算有效奥本海默的解释也未必正确。本来，出现这种事都是非常正常的，物理学家们对于接受一个理论一个结论都是非常谨慎的，但是只要有出现了这种情况，大家坐下来好好分析讨论一下，一般很快都会达成新的共识。
但关键是那会儿是1939年，是第二次世界大战爆发的前夕了，而我们都知道奥本海默是曼哈顿计划的负责人。所以，这些物理学家们马上就没空研究黑洞，而必须去研究核武器去了
二战和冷战耗费了太多物理学家的精力，直到六七十年代才迎来黑洞研究的黄金时代，在这个时代有我们熟悉的霍金和彭罗斯。
许多人对黑洞的认识仅仅停留在：黑洞是一个密度大到光也无法逃出去的物体，黑洞里面有一个密度无穷大的奇点，这个奇点让物理定律都失效了。
上面两篇文章我也说过要真的解开奇点之谜需要用来融合量子力学和广义相对论的量子引力，要直接面对这样的奇点是在是太困难了。
但是，如果我们不是直面奇点，而是去研究一下黑洞其他方面的性质呢？比如视界，比如辐射。
黄金年代的物理学家们在这边就探索出了一些很有意思东西。
首先，大家群策群力发现了黑洞是无毛的：不管坍缩前的黑洞有没有磁场，有没有不规则的凸起，最终都会形成一个理想球形无磁化的黑洞。
然后，彭罗斯和霍金证明了一个奇点定理（凡是黑洞必定存在一个奇点），而且彭罗斯还根据自己的直觉认为不可能存在裸奇点，也就是说所有的奇点都一定被视界包围着。但是他无法证明，所以他只能把这个称之为宇宙监督猜想。
接下来，霍金先是发现了面积定理（两个黑洞融合成一个大黑洞的时候，新黑洞的视界面积一定大于原来两个面积之和），然后证明了霍金辐射，指出黑洞不是不是只会吃东西，它也会蒸发辐射，会变小，这个发现大大改变了人们对黑洞的认知。

属于我们的辉煌

选个合适的目标

黑洞阴影和周围环绕的新月般光环是非常非常小的。在拍照设备能力有限的情况下，要想拍摄到黑洞的照片，毫无疑问，我们希望找到一个看起来角直径足够大的黑洞作为对象。
由于黑洞事件视界的大小与其质量成正比，这也就意味着质量越大，其事件视野越大，因此近邻的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。位于人马座方向的银河系中心黑洞和近邻射电星系M87的中心黑洞M87*是两个目前已知最优的候选体。

EHT¹

由于可见光的波长太短，任何光学观察器材，不管是我们的眼睛还是天文望远镜，都无法突破这个巨大的星际尘埃环；就像你站在雾中，要想看清遥远的灯光一样，重重浓雾迷蒙了你的视线。
然而，我们还有一种望远镜，那就是像中国天眼一样的射电望远镜，由于射电波，即无限电波波长极长，完全可以突破这些尘埃的封锁，“看到”银河系中心的黑洞。就像我们在室内，依然可以收到手机基站传来的无线电波，射电望远镜，也可以接受到来自银河系中心的信息。
通过多年来的观察，科学家门已经发现，银河系中心区域活跃着大量气体和尘埃，围绕着黑洞高速运行，被加热到了数十亿度，发射出大量的各个波段的辐射。虽然从可见光到X射线的辐射都被星际尘埃挡住了，但无线波段是可以看见的！
然而单一的射电望远镜，即使是全球最大的中国天眼，也仅仅只有500米的口径，和地球一样大的眼睛比起来，就像萤火虫和太阳相比，完全可以让凯撒大帝都陷入无边的绝望之中。
不过，虽然我们没有地球一样大的眼睛，但我们却拥有超越我们星球乃至太阳系整个银河系的非凡认知。科学家们发现，如果将分布在世界各地的射电望远镜连接起来，就可借助算法将各个独立望远镜同时观察同一个目标的数据协调起来，形成一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜，将其分辨率提高到足以观察黑洞事件视界尺度结构的程度。

这个计划被称为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT），于2012年在美国亚利桑那州启动，先后有12个国家的30多所大学、天文台及政府和研究机构参与，并在2017年4月，对银河系中心人马座A*和M87星系中心进行了为期10天的全球连线观测。调动的射电望远镜包括智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），南极点的南极望远镜，以及美国、欧洲等地共8台望远镜，形成了一个直径超过12000公里的巨大虚拟望远镜。
由于数据庞大，无法通过网络传输，观测完成后，所有数据都通过硬盘空运到美国马萨诸塞州麻省理工学院的海斯塔克天文台，以及德国波恩的马克斯普朗克电波天文研究所进行处理，南极的数据甚至等到当年10月冬天过后才运送出来。
所以，请允许我再放一次这张黑洞照片以表示对200多位科学工作者的致敬！！！

$\Large敬礼！$

意义

1、这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在，同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中，科学家们发现，所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致，令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。
2、有助于理解黑洞是如何“吃”东西的。黑洞的“暗影”区域非常靠近黑洞吞噬物质形成的吸积盘的极内部区域，这里的信息尤为关键，综合之前观测获得的吸积盘更外侧的信息，就能更好地重构这个物理过程。
3、有助于理解黑洞喷流的产生和方向。某些朝向黑洞下落的物质在被吞噬之前，会由于磁场的作用，沿着黑洞的转动方向被喷出去。以前收集的信息多是更大尺度上的，科学家没法知道在靠近喷流产生的源头处发生了什么。如果现在对黑洞暗影的拍摄，就能助天文学家一臂之力。

发生在未来的事……

现在我们面临的下一个挑战是如何拍摄更清晰的图像，以便爱因斯坦的广义相对论能够得到检验。内梅亨大学的天文学家们，连同欧洲航天局(ESA)和其他机构，正在提出一个通过向太空发射射电望远镜来实现这一目标的概念，他们在《天文学与天体物理学》上发表了他们的计划。
这个想法是把两颗或三颗卫星放在环绕地球的圆形轨道上观察黑洞。这个概念被称为事件视界成像仪(EHI)。
这篇文章的第一作者、内梅亨大学的博士生弗里克·罗洛夫斯说：用卫星代替地球上的射电望远镜有很多好处，就像用事件视界望远镜(EHT)一样。在太空中可以用更高的无线电频率进行观测，因为来自地球的频率被大气过滤掉了。太空望远镜之间的距离也更大。这使我们向前迈出了一大步，将能够以超过EHT五倍的分辨率拍摄图像。更清晰黑洞图像将带来更好的信息，可以用来更详细地检验爱因斯坦的广义相对论。

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1. 由于实际原理太过复杂，在这里只是简单讲一下大概的原理 ↩︎