第一张黑洞图片:外表并不重要

T据说，14世纪意大利画家乔托·迪·邦多内(Giotto di Bondone)在教皇要求他证明自己的才能时，挥动手臂画了一个完美的圆圈。但几何上的完美受到了媒介的限制。仔细检查画布，每个圆最终都会呈现出颗粒状。如果你追求的是完美，那就不要去看人造的艺术，而要看天空。更准确地说，是观察黑洞。

观察黑洞是事件视界望远镜在过去12年中所做的事情。昨天，该合作发布了期待已久的2017年4月首次全面运行的结果。与预期相反，他们的就职图像并不像许多人预期的那样，是银河系中心的黑洞——人马座A*。相反，它是椭圆星系梅西耶87中的超大质量黑洞，距离这里大约5500万光年。这个黑洞的质量是我们太阳的65亿倍，比我们银河系中的黑洞大得多。因此，即使梅西耶-87黑洞比人马座a*远一千倍，它在天空中的大小仍然只有人马座a*的一半。

事件视界望远镜(EHT)并不比它所观测到的物体逊色。在200人的合作下，EHT使用的不是一个望远镜，而是一个由9个望远镜组成的全球网络。从格陵兰岛到南极，从夏威夷到法国的阿尔卑斯山脉，它的各个地点都是一个整体。这一合作共同指挥着一台地球大小的望远镜，凝视着北部天空中包含梅西耶-87黑洞的一小块区域。

黑洞使光线弯曲得如此厉害，以至于光线可以多次环绕视界。产生的图像太复杂了，无法用简单的方程来捕捉。

从理论上讲，黑洞是一种空间区域，在那里引力是如此之大，以至于包括光在内的一切都被困住了。捕获区域的表面称为“事件视界”。它没有实质内容;这是空间本身的特性。在最简单的情况下，视界是一个球体——一个完美的球体，由虚无构成。

事实上，这很复杂。天体物理学家从20世纪90年代就已经有了黑洞存在的证据，但到目前为止，所有的观测都是从可见恒星和气体的运动间接推断出来的，这让人们怀疑暗物体是否真的拥有定义的事件视界。事实证明，很难真正看到黑洞黑洞。问题是，它们是黑色的。它们能捕捉光线。斯蒂芬·霍金证明黑洞必须发射出量子效应产生的辐射，但这种量子发光太微弱了，无法观察到。

但就像柏拉图洞穴中的囚犯一样，我们可以通过观察黑洞投射的阴影来看到黑洞。黑洞从环境中吸引气体。这种气体聚集在一个旋转的圆盘中，并在螺旋进入视界时加热，推动电荷。这就产生了强大的磁场，可以产生一种“喷射”，一种狭窄的、定向的粒子流，以几乎光速离开黑洞。但任何偏离视界太近的物体都会落入视界，消失得无影无踪。

与此同时，黑洞使光线弯曲，弯曲得如此强烈，以至于我们从黑洞的前面可以看到它后面的部分圆盘。刚刚逃脱的光线揭示了地平线附近发生的事情。正如天体物理学家所预料的那样，这是一幅不对称的图像，在黑洞周围物质向我们移动的那一侧较亮，而在黑洞远离我们的那一侧较暗。高温气体与引力透镜作用的结合创造了EHT所寻找的独特的观测信号。

实验挑战是艰巨的。该网络的望远镜必须使用原子钟同步数据采集。所有地点的天气条件必须同时有利。一旦记录下来，数据量就大得惊人，必须通过硬盘传送到中心位置进行处理。

理论上的挑战并没有减少。黑洞使光线弯曲得太厉害，以至于它可以绕着地平线多次旋转。由此产生的图像太复杂，无法用简单的方程来捕捉。虽然这个数学早在20世纪20年代就已经知道了，但直到1978年物理学家才第一次看到黑洞的实际外观就在那一年，法国天体物理学家让·皮埃尔·鲁米特（Jean-Pierre Luminet）使用punchcards在IBM 7040上编程计算画了图像的手。

今天，天体物理学家使用功能强大许多倍的计算机来预测气体在黑洞上的吸积以及光在到达我们之前是如何弯曲的。然而，气体的部分湍流运动、由此产生的电场和磁场以及粒子相互作用的复杂性还没有完全理解。

EHT的观测结果与预期一致。但这个结果不仅仅是爱因斯坦广义相对论的又一次胜利。这也是天文学家足智多谋的胜利。他们携起手来，齐心协力，完成了单独做不到的事情。虽然他们的测量解决了一个长期存在的问题——是的，黑洞确实有视界!这也是进一步探索的开始。物理学家希望这些观测将帮助他们更好地理解吸积盘的极端条件，磁场在射流形成中的作用，以及超大质量黑洞影响星系形成的方式。

当教皇收到乔托的圆形画像时，并不是画像本身给他留下了深刻印象。这是朝臣的报告，艺术家没有借助指南针就制作出来了。这张黑洞的第一张照片也很引人注目，不是因为它的外观，而是因为它的起源。一个横跨400亿公里的黑色球体，由最伟大的艺术家——大自然本人——在炽热的气体背景上绘制。

Sabine Hossenfelder是法兰克福高等研究院的研究员，她在那里研究标准模型之外的物理、现象学量子引力和广义相对论的修正。如果你想知道更多关于物理学基础的问题，请阅读她的书《迷失在数学:美丽如何使物理学误入歧途》。

观察：为什么黑洞会吸引公众。