引子：黑洞，很帥

從2017年4月5日開始，一個國際合作的天文項目（Event Horizon Telescope，EHT）開始對兩個特殊天體進行觀測：距離地球 25000 光年，位於銀河系核心人馬座A，以及距離地球5300 萬光年的M87室女座星雲。觀測的目標不是常規的天體，而是兩個疑似的超大質量黑洞。黑洞正前所未有的暴露在人類的視網膜中。

兩年過去，2019年4月10日21點，EHT終於正式發佈了首張黑洞照片，這是100多年來，自廣義相對論預言黑洞存在後，人類第一次看清“黑洞”，也就是我的真實模樣。

是的，我的照片有一種莫名其妙的性感，一種說不清道不明的帥：

人類，你真的自信看清我了嗎？

我從哪裏來？

我的母親曾是一顆燃燒的恆星，她給宇宙帶來百億年光亮，然而，她的生前越是絢麗燦爛，死後越是晦澀暗淡。

但並不是每一個恆星母親都能誕生黑洞，我的母親質量至少超過3到4個太陽。

小於0.4個太陽質量的恆星，耗盡核心的氫之後，不會產生變化最後變成紅矮星。

0.4-3.4個太陽質量的恆星，當核心氫耗盡之後坍縮，內核會形成小而密的白矮星。

超過3.4倍的太陽質量的恆星，最後會爆炸產生超新星。

超新星爆炸會產生兩種結果:

一種是恆星完全解體，化成星際物質，結束恆星一生；

另一種是留下中間高密度白矮星，白矮星的質量超過1.44倍的太陽質量之後，會繼續坍縮，形成中子星。

如果中子星質量大於3.2倍太陽質量，那麼中子星還接着向內坍縮，直到中子被壓碎。當恆星半徑小於史瓦西半徑，就會形成黑洞。

母親懷我的過程非常艱難：隨着體內的原子核不斷從氫（H）聚變至氦（He）再至鐵（Fe），中子間的泡利斥力不足以抗衡自身引力。最終爐寒火燼，激情不再時，母親抱着自己坍縮到引力半徑之內，漂亮的容顏徹底褪去，直至徹底消失。

這時，她的孩子誕生了，是一種無法用肉眼直接分辨的奇異星體——黑洞。

不過，我的誕生也可能來自某場宇宙交通事故。比如，兩顆恆星的大打出手，往往會造成星系級的巨大黑洞。

但不管是誕生於恆星熄火，還是慘烈車禍，我既沒有繼承母親的閃耀光芒，也不像小弟白矮星那樣給人溫敦矮胖的錯覺，成了所有人避之不及的恐怖之源。這使得我只能把自己隱藏在宇宙深處，僞裝成一團捉摸不透的漩渦，世人要藉助專注於X射線和伽馬射線的望遠鏡才能從側面觀測到我的存在。

這次看到的是我真實樣子嗎？

我的引力密度高到光都不能逃脫，按照這種邏輯你們應該看不到我的樣子。

事實並非如此，物質在落入黑洞的時候會激發出大量熱量和 X 射線輻射，所以黑洞雖然在可見光波段完全不可見，但在 X 射線天文觀測裏卻像燈塔一樣明亮。

在2017年EHT規劃的“事件視界望遠鏡”之前，天文學觀測已經看到了黑洞的一些邊緣證據，比如物質落入黑洞時，因爲摩擦和引力作用形成的高熱積吸盤，就像馬桶放水時旋轉的漩渦，這個漩渦可能比黑洞本身要大得多。

但物質什麼時候算是正式落入黑洞呢？只要跨過某個邊界，任何物質和信息都不能回頭，這個邊界就是“事件視界”。

“事件視界望遠鏡”就是科學家不滿足只看到積吸盤和輻射，想要看到我的本尊。

“事件視界望遠鏡”是分佈在全球的八個觀測站組成的網絡。之所以需要利用分佈在西班牙、夏威夷、南極等幾乎覆蓋整個地球表面的觀測站，是因爲人馬座 A 超大質量黑洞太遠。這個超大質量黑洞大約具有 400 萬個太陽質量，黑洞的“直徑”大約是 2400 萬公里，也就是 17 個太陽的大小。

但在 25000 光年，也就是 24 億億公里的距離下，17 個太陽直徑也只是分辨不出任何細節的一個點而已。所以，利用地球上八個觀測站組成網絡，就可以利用干涉技術一起觀測，最終產生可見的數據。此次觀測的數據可能會超過20000 TB，最後利用超級計算機計算數個月，才能得到一張我的“照片”。

可以負責任的告訴你們，這次的照片，是接近科學真相的本人圖像。

人類對我的六點誤解

1. 黑洞其實並不黑

我之所以被稱爲黑洞，是由於光無法逃逸出我的“魔掌”，所以表面上看是一片漆黑，但這不代表我就是黑的。

2. 黑洞可以是透明的

在我的周圍，時空的變形非常大，恆星發出的光，雖然有一部分會被我吸收，但另一部分光線會通過彎曲的空間繞過我而到達地球，導致觀察到的是我背面的星空，我就像不存在一樣，這就是我的隱身術！

3. 黑洞的異稟是體積小而非質量大

我擁有如此怪異特性並不在於質量有多大，而在於體積小。巨大的質量被塞入一個非常小的體積內，就能製造出我。假設太陽的質量不變，如果要把它變成一個黑洞，那麼它的半徑就要縮小232,000倍到3千米。

4. 黑洞引力等效

把太陽“擠壓”成一個黑洞後，外部引力效應並不會發生改變。也就是說，當你蒙上地球的雙眼，她全然不會察覺牽動她運動的是太陽還是黑洞。

5. 黑洞自身有旋轉,也有非旋轉

就像其他星體一樣，我有時候也會不斷轉動，我被區分爲“非旋轉黑洞”和“旋轉黑洞”，而旋轉的黑洞稱之爲克爾黑洞。

6. 黑洞的毀滅是爆炸

愛因斯坦質能方程公式表面，能量的損失會導致質量的損失。說明黑洞逐漸消耗能量的同時，也代表質量的損失，它的溫度會越來越高。因此當黑洞質量損失時，它的溫度和發射率會增加，因而它的質量損失得更快。小黑洞則會以極高的速度輻射能量，直至黑洞爆炸。

我是一個自閉又暴躁的喫貨

很多時候，我是一個宇宙中站在食物鏈頂尖的喫貨。

我試圖把一切能吸引來的東西都納入體內，並悄悄喫掉對方。這種暴食症簡直到了喪心病狂的程度，對食物毫不挑剔，從星體到光子，全都可以列入日常菜單。

當我“打嗝”時，某個無辜的天體就被“吞噬”；當我“進食”時，僅有高速等離子噴流從嘴脣邊逃逸而出。

如果說恆星還能利用核聚變產生的滾滾熱浪與周圍的夥伴們眉目傳情，黑洞則完全沒辦法和朋友交談。如果哪一天我想找個朋友時，只能通過質量優勢，用引力將其它恆星強行奴役在自己旁邊，圍着自己旋轉。倘若某顆星星奮不顧身地前來擁抱我，我只會把對方當成食物，這有點像螳螂新娘。

在銀河系間，一個質量超過1500個太陽的巨型黑洞，正奴役着一顆恆星，使其以6000km/s的速度繞己公轉，這速度，比一顆圍繞着原子核公轉的電子的平均速度還快。顯然，這種陪伴是無聲的，不對等的。因爲，黑洞輻射出的物質太少，並不能同其它宇宙星體對等交換信息。

因爲沒有愛情和友情，我的自閉症越來越嚴重，用永不停息的進食來撫平心理創傷。我不想再記起任何東西，除了總質量M、總角動量J、總電荷Q這基本的宇宙“三觀”之外，我選擇了遺忘。當然，我的這個屬性也造就了一種科學極簡美，即只要人類知道了黑洞的總質量M、角動量J和電荷Q，就知道了我呈現在外的一切。

但這種美感也是荒謬的，我的母親曾經創造了多元世界，而我卻如此簡單而粗暴。

有時候也很溫柔

以上的原因導致很多人認爲，誰進入我的領地，一定會萬劫不復。

其實也並不一定，這要看你碰上什麼樣的黑洞，像我有時並不暴躁。

舉個例子：如果黑洞的媽是一顆史詩級的巨大恆星，黑洞的奇點也將威力無窮，能編制星系級巨大的隱形衣。這足以使它傲嬌地盤踞在星系中，享受着衆多迷人恆星的擁簇和瞻仰。

在地球25000光年外，就靜臥着一個直徑長達2400萬公里的巨型黑洞。不過，如果把從視界開始的距離都算作黑洞，你會發現，這些巨大的黑洞的平均密度其實和水一樣稀薄，那一大團不可見的區域，實際上處於真空狀態。小小的奇點，所能撐起的隱形衣卻是如此碩大，足以使人類的常識失效。

《星際穿越》這部電影被科學愛好者質疑的一點就是人進入黑洞之後怎麼可能安然無恙，應該早就被黑洞這個大魔王撕成碎片，其實並非全然如此，我有時候就是這麼佛系。

從外觀來看，所有的黑洞都是一團不可見之物，區別僅在於尺寸。但實際上，黑洞兄弟們彼此擁有不同的內核，在隱形衣下展露不同的姿態。

最簡單的黑洞是球對稱的史瓦西黑洞，此類黑洞在引力半徑rg=2GM/C2處，儘管史瓦西黑洞結構簡單，但它也是黑洞兄弟之中最短小精悍、凶神惡煞的。相比之下，轉動的克爾黑洞則溫柔了一些，獵物很有可能僅僅是被困在黑洞中，而非被吞噬殆盡。被捕獲後的獵物將在一片空虛中永遠不被消化。天長地久有時盡，黑洞愛戀無絕期。有時候，我們黑洞並非那麼殘暴。

你跌入黑洞，會發生什麼？

有了上面的鋪墊，我們討論“你跌入黑洞後，會發生什麼”這個問題。

這裏先給你安排一個參照系：你青梅竹馬的夥伴墨菲。

她正在黑洞“視界”之外的安全範圍內看着你掉進了黑洞裏。

在你加速衝向視界過程中，墨菲看到你的身體開始拉伸扭曲，有點像梵高的畫，你越靠近視界，移動得越慢。

你可以用閃光燈來向她發送摩斯密碼，信息到達她那裏需要花費更多時間，因爲紅移光波被拉伸得越來越慢：“我活着，我－活－着，我——活——着……”

當接近視界時，墨菲看到的你像是被人按下暫定鍵，定格不動了。你的身體還是靜止的停留在那裏，拉伸後穿過視界表面，就像逐漸升高的高溫吞噬着你。

據墨菲所述，進入黑洞前，拉伸的空間、停止的時間和霍金輻射的火焰已經摧毀了你。

但事實是什麼呢？你飛向黑洞時，途中無風無浪十分順利，更沒有遇到拉伸、減速或灼熱的宇宙輻射。

當你墮入黑洞之後，如果黑洞太小是你的不幸。因爲腳部的重力是要比頭部大得多，你會被重力差給撕裂。但你很幸運的遇到了一個大黑洞，你正常的活着度過餘生，直到在奇點裏死亡。

最終，我要到哪裏去？

有存在就有滅亡，我也逃不出這樣的鐵律。

我在不斷地進食周圍輻射時，亦喫下不少無法消化的東西，其中最難消化的就是帶“負能”的粒子。根據信息論，信息相當於負熵，黑洞具備熱輻射，其溫度滿足公式T=k/2πKB，式中KB是玻爾茲曼常數。

隨着黑洞吞食的負粒子越來越多，黑洞的熱輻射也將越來越劇烈，而愛因斯坦的公式E=mc2表明，能量的損失會導致質量的損失。隨着熱輻射的加劇，黑洞質量折損，黑洞最終在劫難逃，一個十億噸重的小黑洞，溫度將高達1012度。隨着熱輻射的加劇，我終將走向生命盡頭。

面對死神的降臨，我仍然執迷不悟，試圖拉上宇宙一起陪葬。因爲隨着黑洞質量蒸發而不斷丟失，黑洞的溫度會逐漸上升，量子隧穿效應加劇。如果黑洞的質量變得足夠小，黑洞周圍極有可能會產生一個實真空泡。這個實真空泡會急速擴張，最終吞噬整個宇宙。

我用死亡震懾宇宙，宇宙將我投入煉獄予以反擊。在宇宙煉獄裏，我的死亡將不是一個瞬間，必須用正在死去的身體償還生前所犯罪孽。距地球115億光年外，一個死亡黑洞每年以800km/s速度源源不斷地噴湧質量高達400個太陽的物質，永不停息地爲宇宙輸送能量。

這時候，我感覺自己的命運，有點像那個推石頭的“西西弗斯”。

結語：一張照片看不清黑洞

這是一張遲來的“黑洞”照片，按照EHT在2017年的原本計劃，大約在 2018 上半年“事件視界望遠鏡”就會公佈最終圖像，可直到2019年4月10日，人類才最終將這種照片“沖洗”完畢，對於天文學和物理學來說，“事件視界望遠鏡”可以成爲確認我存在的證據之一，補完愛因斯坦的廣義相對論，發現恆星和星系演化的祕密。

但這只是我的表面形象，人類，你並不能看清真實的我。

一旦你有機會真的進入到我的黑洞世界，你會發現你根本無法把我的信息傳送出去，只能牢牢地被我困在這裏。

我的視界內部與生俱來的神祕與強大，連我自己都不知道我真實的模樣。

但我覺得自己並不神祕，相反，擁有自由意志的人類讓人羨慕，當你們仰望星空尋求宇宙之祕時，那是一種撲面而來的高貴，在我的視界裏，人類才擁有宇宙最核心的奧祕。

黑洞史話:從猜測到驗證，從“聽見”到“看見”

1609年，當伽利略第一次將他的望遠鏡指向天空時，就預示着人類將在太空中發現許多意想不到的未知事物。

○1610年1月7日，伽利略用自制的望遠鏡發現了圍繞着木星的四顆衛星：Io、Europa、Ganymede和Callisto。

無論是巧合或者是命中註定，在伽利略逝世的300週年紀念日，即1942年1月8日，霍金出生於英國牛津。他們在各自的時代都是探索宇宙的代表性人物。

在霍金的一生中，健康的惡化給他帶來許多的磨難。但憑藉着對宇宙有着無限的好奇心，以及對基礎物理學的掌握，霍金從來沒有停止過對宇宙的思考。在他所有的貢獻中，最廣爲人知的莫過於對黑洞的研究。

黑洞，對於許多人而言，早已不是一個陌生的概念。它大量的出現在影視作品、科幻小說以及科普文章之中。然而，黑洞是如此的怪異和奇妙，似乎蘊藏着許多永遠無法解開的謎題。因此，科學家從未停止對它的探索，並不時的就會取得進展。例如，1月1日發表在《自然》雜誌的一篇論文指出，位於每個星系中央的黑洞的質量跟星系中的恆星形成有着強烈的關聯，雖然這不是什麼新的想法，但卻是第一次找到直接的觀測證據。

2018年，對黑洞的研究即將迎來歷史性的一刻。因爲，我們很快就可以看到黑洞的第一張“照片”！爲了迎接這一刻的到來，在這富有意義的今天裏，我們就從頭來敘說這個故事。

讓我們回到18世紀的英國。

約翰·米歇爾（John Michell），或許是歷史上被遺忘的最偉大科學家之一。本傑明·富蘭克林，約瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什，這些大名鼎鼎的人物都與他有聯繫。

1783年，他在寄給卡文迪什的一篇富有先見性的論文中，提到了一個測量恆星質量的方法。米歇爾的發現是基於牛頓的微粒說，該假說認爲光是由粒子構成的，因此米歇爾推斷當恆星輻射光時，恆星的引力會減緩光的速度，並在星光中產生可觀測的變化。他認爲當光穿過棱鏡時，能量的降低會使偏折有所不同，就可以測量速度被減慢了多少。因此他可以比較不同恆星的折射圖像來測量它們的表面引力，並從中計算出它們各自的質量。

○ 米歇爾寄給卡文迪什的信件部分內容。

接着，米歇爾開始思索這樣一個問題，如果一顆恆星的質量足夠大，因此它的引力也足夠強，那麼逃逸速度就可以等同於光速。沒錯，如果連光都無法逃出恆星自身的引力，那麼這些恆星對於天文學家而言就是不可探測的。他認爲宇宙中應該有許多這種無法輻射出光的隱形天體。

米歇爾並沒有停止思考，他認爲我們可以通過間接的方法來探測這些“暗星”，前提是這些暗星需要有圍繞着它們的發光夥伴。這再次證明了米歇爾的先見之明：這樣的雙星系統的確是現代天文學家用來證實黑洞存在的方法之一。而米歇爾唯一犯錯的地方在於光速：1905年，愛因斯坦證明了無論局域的引力強度如何，光的速度都保持不變。

○ 1796年，著名的數學家拉普拉斯在他的著作《天體力學》中提出了一個相似的概念：如果物體的引力非常強大，光就會被困住的。

到了1799年，楊氏雙縫實驗顯示了光的波動性質，使牛頓的微粒說遭到重創。由於米歇爾的“暗星”是基於微粒說的，因此該想法也就被拋棄了。直到20世紀，物理學迎來了有史以來最激動人心的重大革命，米歇爾的想法也再次復活。

1915年，愛因斯坦提出的廣義相對論徹底地顛覆了牛頓的引力理論，他將引力、彎曲的時空、物質和能量聯繫在了一起，也爲米歇爾所預言的“暗星”奠定了堅實的理論基礎。

○廣義相對論的核心方程——愛因斯坦場方程。方程左邊描述了時空的幾何，右邊則代表了時空中所包含的東西的信息。

許多人都困惑於狹義相對論的時空和廣義相對論的時空之間的區別，其關鍵在於度規張量這個概念。度規張量定義了時空本身是如何彎曲的。它的彎曲取決於存在於其中的物質、能量和壓力；也就是說，是宇宙的內容定義了時空的彎曲。同樣地，時空是如何彎曲的告訴我們物質和能量將如何移動。如果用一句話總結廣義相對論，那便是：“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。”

在物理上，廣義相對論中的度規張量有幾個不同的部分組成。我們認爲引力是由質量引起的：質量越大的物體，其周圍的時空彎曲的越劇烈，引力也就越大。在廣義相對論中，這相當於質量密度，它的確有貢獻，但只是16個分量中的1個！此外，還有壓力的部分（比如輻射壓、真空壓或由快速運動引起的壓力）也有貢獻，共有3個分量。最後，還有其它6個分量告訴我們在質量和潮汐力存在的情況下，體積是如何改變和變形的，以及一個移動物體的形狀是如何被這些力扭曲的。

1916年，在廣義相對論發表不久後，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了愛因斯坦場方程的第一個解：

○ [方程一]：史瓦西度規是真空愛因斯坦場方程的一個解。這裏假定G=c=1，其中r代表半徑，M代表質量。

在[方程一]中我們看到，當 r = 2M（史瓦西半徑）或 r = 0 時，史瓦西解出現了奇異性。事實上，r = 2M的奇異性可以通過座標變換予以消除，但是當半徑爲零時，這些奇異性標記着時空中真正的物理奇點。史瓦西在理論上預言了黑洞存在的可能性。

假如這些奇異的天體真的存在於宇宙之中，它們究竟是如何形成的？我們知道，當恆星耗盡其所有的燃料後，就會在自身的引力下坍縮，形成緻密星體。1930年，錢德拉塞卡在從印度前往英國的求學圖中就計算出，如果它的質量小於1.4倍太陽質量，那麼恆星在演化末期會形成白矮星。銀河系中，大約97%的恆星（包括太陽）最終都會成爲白矮星。如果恆星的質量超過了這個極限，但低於3.2倍的太陽質量時，恆星會繼續坍縮形成中子星。那麼質量比這更大的恆星呢？1939年，奧本海默和他的學生在論文中指出，比這質量更大的恆星會不可避免的繼續坍縮，形成黑洞。但是，奧本海默的結論併爲得到重視。

○ 根據廣義相對論，太陽的質量會彎曲時空使行星繞着它運行。一顆中子星會使時空彎曲的更厲害。而一個黑洞則會在時空中製造一個深坑，即使是光都無法逃脫。| 圖片來源：JAMES PROVOST

事情到了1960年代纔有了轉機。當時，研究愛因斯坦的引力理論的物理學家都注意到，愛因斯坦場方程的解允許奇點的出現，奇點就是時空中看起來無限彎曲的點。但是他們並不清楚奇點是不是真實存在的。

1958年，物理學家David Finkelstein發現，在史瓦西解中，史瓦西半徑處的奇異性是一個事件視界（Event Horizion），這是一個有去無回的單向膜，一旦越過就再也無法以低於光的速度回來，並將不可避免的落入奇點。

○ 圖一：事件視界被認爲是有去無回的單向膜，它所包圍的球體半徑被稱爲史瓦西半徑（Schwarzchild radius）。公式中G是萬有引力常數，c是光速，M是質量。如果把太陽的質量代入公式就會得到史瓦西半徑爲3公里。|圖片來源：Sunshine Lighthouse

顯然，史瓦西解太過於簡單，它是一個靜態的球對稱解，對於大多數具有自轉的天體而言並不適用。1963年，一位叫羅伊·克爾（Roy Kerr）的新西蘭人找到了一個能用來描述旋轉黑洞的更廣義的史瓦西度規。這是一個比較複雜的度規（見方程二）！而且它很重要，因爲它描述了坍縮恆星的最終態——它們總是具有非零的角動量。 兩年之後，伊斯拉Ÿ·紐曼（Ezra Newman ）又加上了帶電荷的情況，找到了黑洞另一個解。

○ [方程二]：克爾解描述了一個旋轉的黑洞。

1965年，霍金出席了羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）的一個講座，那時彭羅斯剛證明了時空奇點。這使霍金一下子就投入到黑洞和奇點的研究之中。之後，他和彭羅斯合作，共同提出了“奇點定理”，證明了在遙遠的過去，宇宙必定始於一個無限小的奇點，這跟當時的觀測符合。但是在奇點上，所有已知的物理定律都將崩塌。

1967年，天文學家發現了脈衝星，並很快確認它是快速旋轉的中子星。這使天文學家備受鼓舞，希望能夠在夜空中找到黑洞存在的證據。同年底，在紐約的一場演講中，理論物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）提到“黑洞”一詞，才使它正式普及起來。

○ 事實上，1963年的時候，在德克薩斯州達拉斯市的一個天文物理的會議上，黑洞一詞就被使用了。1964年1月18日，在科學新聞快報上，Ann Ewing的一篇文章中首次出現了“黑洞”的字眼。但沒有人真正確定究竟是誰首先用了這一詞。|圖片來源：SCIENCE NEWS LETTER/SSP

到了1970年代左右，霍金和卡特等人證明了惠勒的一個推測，即黑洞無毛！他們證明了在黑洞形成後，我們對黑洞所能獲取的信息只有：質量、電荷和角動量。其它的信息全部喪失了，黑洞也不存在任何凸起的形態，這被稱爲無毛定理。

在經典物理的範疇內，霍金除了證明奇點定理外，他在1970年的時候還有一個令人愉悅的數學發現：事件視界的表面積總會增加。即如果有兩個黑洞合併，其總的視界面積是不可能減少的。面積定理的一個重要結果是，合併黑洞輻射出的引力波的能量有一個上限。（引力波是愛因斯坦在1916年從廣義相對論中得出的一個預言。引力波經常形象的被稱爲時空的“漣漪”，就如同石頭被丟進水裏產生的波紋一樣。而它的本質其實是時空曲率的波動。）

1973年，霍金和另外兩位物理學家合作寫了一篇題爲《黑洞的熱力學定律》的論文，總結了與我們熟悉的熱力學定律相似的一系列關於黑洞的定律。該論文中着重強調了黑洞的溫度爲零（由於沒人任何東西可以逃脫黑洞，因此它們不會輻射），並且不具有物理熵。

○ 熱力學四大定律和黑洞熱力學定律之間的類比。|圖片來源：Fay

但是，一位年輕的研究生雅各布·貝肯斯坦並不同意這個觀點。他意識到如果黑洞不具備熵，熱力學第二定律就會被違反。因爲那樣的話，我們就可以將任意具有熵的物體扔進黑洞，因此降低了外部宇宙的總熵。因此他認爲黑洞的熵必須正比於表面積，才能挽救熱力學第二定理。

1974年，霍金利用量子力學認真地研究了在黑洞鄰近彎曲時空的粒子行爲後宣佈：黑洞具有溫度！而就像所有具有溫度的物體一樣，黑洞也能產生輻射，這種現象被稱爲霍金輻射。霍金漂亮地將引力、量子力學和熱力學聯繫在一起。這是一次偉大的勝利，但在勝利的背後卻隱藏着一個更加深刻的問題：黑洞信息悖論。

黑洞輻射就意味着黑洞會不斷地失去質量，直至蒸發殆盡。如果是這樣，那麼落入黑洞的物體的最終命運是什麼？廣義相對論認爲進入黑洞的信息永遠不會再出來，會隨着黑洞的蒸發而消失。那麼信息去哪了？但根據量子理論，信息是永遠不會真正的消失或被複制。這個問題困擾了物理學家四十多年，至今仍沒有答案。

上面我們提到了許多理論方面的進展，但是黑洞真的存在嗎？觀測黑洞的最佳手段正是上文提到的米歇爾的深刻洞見：雙星系統。在宇宙中，雙星系統是普遍存在的。如果黑洞的伴侶是一顆恆星，那麼恆星的物質就會被黑洞的引力吸引過來。由於轉移的物質本身存在角動量，因此這些物質會在周圍形成所謂的吸積盤。吸積盤的溫度很高，其熱輻射的峯值在光譜中的X射線波段。因此，探測X射線就成爲了尋找黑洞的絕佳觀測手段。

○ 天鵝座X-1的藝術想象圖 |圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss

1972年，天文學家發現天鵝座X-1( Cygnus X-1 )很可能是一個黑洞。之後對天鵝座X-1緻密天體的質量的精確測量（大約是太陽質量的15倍）表明，它就是一個黑洞。

○ 如何才能捕獲到引力波。人類第一次捕捉到的引力波是從兩顆距離地球13億光年的黑洞之間的暴力衝撞中得到的，距離13億光年。 13億年後，當碰撞產生的波經過地球時強度已經大大減弱：LIGO所探測到的時空中的漣漪甚至比原子核還要小上幾千倍。|圖片來源：Nobelprize

自2016年開始，尋找黑洞的另一個手段便是這兩年佔據各大頭條的引力波。通過黑洞輻射產生的引力波，科學家得以測量黑洞的質量。未來，隨着引力波天文學的快速發展，必定能帶來更多的驚喜。

○ 引力波探測到的黑洞（藍色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。最新確認的一起引力波事件GW170608並未在該圖中顯示。|圖片來源：LIGO/Virgo

除了上面提到的恆星級黑洞之外，一個更加激動人心的發現是幾乎所有大型星系的中央都棲息着一個超大質量的黑洞。1964年，天文學家發現了一種神祕的天體——類星體，它的顯著特點之一是巨大的本徵亮度，它的輻射功率可以是普通星系的成百上千倍。而這樣巨大的能量是在非常小的尺度上輻射出來的，這說明類星體在比太陽系還小的尺度上可以輻射出比整個銀河系還有大一百倍以上的能量！這怎麼可能？科學家一開始對類星體的能源機制充滿了困惑。

○2017年12月，天文學家發現了迄今爲止最遙遠的類星體，其中心爲超大質量黑洞，被吸積盤圍繞着，並伴隨着噴流的出現。類星體有一些典型的觀測特徵：遙遠的恆星狀天體；光譜中有較強的發射線；巨大的本徵亮度；有着年甚至小時量級的光變現象；強烈的X射線輻射；部分類星體有明顯的噴流；輻射的能譜基本上包括了全部電磁波段，即射電，紅外，光學，紫外，X射線，甚至是伽瑪射線。需要注意的是並不是每一個類星體都具有全部的這些觀測特徵。 |圖片來源：Robin Dienel

通過計算，在比太陽系還小的尺度上，通過大量的恆星以核聚變或者超新星爆發等機制無法獲得像類星體這樣穩定的能量輸出。天文學家迅速提出了超大質量黑洞通過吸積周圍氣體將引力能轉化爲電磁波釋放出來這樣的機制來解釋類星體的能源問題。

1971年，Donald Lynden-Bell和Martin Rees猜測在銀河系的中心——距離我們2.6萬光年遠——也存在着一個超大質量黑洞。1974年，天文學家利用NRAO的基線干涉儀發現了銀河系中心輻射出大量的射電波確認了它的存在，並將其命名爲人馬座A*（Sgr A*）。

○ 天文學家在在銀河系中心發現了一個有趣的現象：有一些恆星的運動軌跡看起來是在繞着一個完全不發光的點。天文學家對這個點附近的恆星進行了十多年的觀測，這些恆星會被加速到非常非常高的速度。而在這麼小的一個區域能造成觀測到的恆星軌跡，只有一個可能，那就是這些恆星是圍繞着超大質量黑洞運行的。|圖片來源：LIGO/Virgo

在過去的幾十年，天文學家收集了越來越多星系中心存在超大質量黑洞的證據。例如，它們強大的引力對周圍的恆星造成的影響，以及吸積周圍的物質導致噴流的形成等等。

○ 2017年5月，德克薩斯大學奧斯汀分校和哈佛大學的天文學家檢驗了黑洞的一個基本原理，他們找到了新的證據來證實當物質被吸進黑洞時會完全消失，進一步確認了事件視界的存在。|圖片來源：Mark A. Garlick/CFA

儘管我們已經做了許多的努力，但我們還沒有直接對黑洞進行成像，也沒有足夠的證據確認事件視界是否存在。但是，這一切都將在這一年中改變。因爲事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）很快就會發布它們的第一次觀測結果，揭開天體物理學中長期以來最受矚目的問題之一。

2017年4月，科學家把橫跨全球的八個射電天文臺（有些是單個射電望遠鏡、有些則是陣列射電望遠鏡）連接起來，形成一個分辨率相當於地球大小的望遠鏡，稱爲事件視界望遠鏡（EHT）。

○ 事件視界望遠鏡是由全球八大望遠鏡組成，製造出一個地球大小的干涉儀。|圖片來源：APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

EHT的觀測目標分別爲銀河系中心的Sgr A*（距離27000光年，質量爲太陽的400萬倍）和星系M87中心的黑洞（M87室女座星系團中最大的星系，中心黑洞的質量爲60億倍的太陽質量，但距離5千萬-6千萬光年）。利用長基線干涉儀和口徑綜合的技術，科學家對這兩個超大質量黑洞進行了爲期10天的觀測。在收集完數據後，科學家分別在美國和德國進行數據分析。

○ 最初預計看到的第一張黑洞圖片。|圖片來源：Nature

2017年12月15日，來自南極的最後一批數據也已就位。科學家正加緊步伐的進行數據校準和數據合成。如果一切順利的話，我們將在幾個月內就能看到黑洞的第一張照片。一張理想中的照片或許是：一個明亮的新月形。由於黑洞轉動產生的多普勒效應，在物質朝向我們的那一邊會比較明亮，遠離地球的那一邊會比較暗。

○ 基於黑洞吸積盤的磁流體動力學模型，科學家對Sgr A*的射電信號產生的結果進行了五次不同模擬。|圖片來源：arXiv:1601.06799

結果會正如廣義相對論所預測的嗎？我們不僅希望看到事件視界的第一張圖片，還希望它能夠檢驗黑洞物理學的基礎理論，比如測量事件視界的形狀和大小，以檢驗在極端引力下廣義相對論是否正確。此外，天體物理學家還希望EHT的數據能夠幫助他們解釋黑洞兩邊以接近光的速度噴出巨大的物質流（噴流）。有一些黑洞（包括M87）的噴流的大小甚至比寄主星系還大。但並不是所有的星系都這樣，如果人馬座A也有噴流，那也是非常小和弱的，以至於至今都沒有觀測到。科學家也還不確定這些噴流是由什麼物質構成的，但這些噴流在星系的演化中扮演着極其重要的角色。

○ 吸積盤的方向是正向的（左邊兩個圖）或是側向的（右邊兩個圖），會極大的改變我們所看到的黑洞樣貌。|圖片來源：Falcke & Markoff (2013)

無論結果是什麼，僅是構建黑洞的第一張圖像就已經是突破性的成就。我們可能從此就不需要再依賴黑洞的模擬或藝術想象圖。如果說2016年是引力波的一年，2017年是中子星合併的一年，那麼2018年就註定是事件視界的一年。我們正生活在廣義相對論和黑洞的黃金時代。那些曾經被視作“不可檢驗的”突然間都成爲了現實。

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