人类首张黑洞照片正式发布，有哪些重要意义？
100 年前的 1919 年，爱丁顿远征西非观测日全食，验证了爱因斯坦的预言：质量确实可以令时空弯曲。 52 年前的 1967 年，惠勒第一次提出「黑洞」一词，用以指称一种只在理论上存在的，极端致密、令时空无限弯曲的天体。 2019 年 4 月 10 日，我们终于亲眼目睹黑洞存在的直接证据：横跨地球直径的 8 台望远镜强强联手，组成史诗般的「视界面望远镜」，奉上了人类的第一张黑洞照片—— 一个世纪的求索，我们终于等到了今天。 轻舟既过万重山，犹忆往昔峥嵘岁月稠。 ——现在请让我们一同回顾，这张必将载入史册的珍贵影像，经历了怎样漫长的百年酝酿。 目录：
一、爱因斯坦叕对了
二、黑洞真的存在吗
三、给黑洞画张素描
四、给黑洞拍张照片
五、意中意外视界面 1915 年，爱因斯坦用他天才的物理直觉，提出广义相对论，颠覆了人类对时空本质的认知。 我们可以借惠勒之言概括广义相对论的精髓：「时空决定物质如何运动，物质决定时空如何弯曲。」 宇宙万物，原本被认为只是广袤时空舞台上的演员，在广相的世界里，却成为舞台本身的建构师。 广义相对论给出很多重要的预言，其中很多在刚问世时，都显得过分光怪陆离，让人不敢相信。 然而 100 年来，这些预言逐一获得实验和观测的证实，让爱氏取得物理学史中至高无上的地位： 广义相对论预言，大质量天体会让周围的时空发生显著弯曲，背景星光行经此处，会随着时空的弯曲而被偏折。 1919 年，英国天文学家亚瑟·爱丁顿和同事，分别率领一支远征队赶赴巴西和西非，利用日全食的宝贵时机，测量太阳附近恒星的位置——对比星图，他们发现这些恒星的位置似乎稍微远离了日面，而且远离的幅度符合广义相对论的预言。 这是爱因斯坦提出广义相对论之后，第一个专门为验证广相预言而实施的重要观测。结果一出，立刻让爱因斯坦名声大噪。 当天体质量更大、弯曲星光的效应更明显，中间的大质量天体就仿佛一个汇聚光线的凸透镜，让背景光源呈现扭曲、放大的多个虚像。广义相对论预言的这种现象，被称为「引力透镜」效应。 而引力透镜成像在宇宙中已经被广泛发现： 1974 年，美国天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，使用当时世界上最大的单口径射电望远镜，位于美国波多黎各的 305 米阿雷西博望远镜，发现了一颗位于双星中的毫秒脉冲星。 广义相对论预言，两个天体相互绕转时，会由于搅动时空、发出引力波而损失轨道能量，让两颗星之间的距离趋于衰减。 两位天文学家发现，这颗脉冲星的脉冲到达时间系统性地逐步偏移，而这种偏移刚好符合广义相对论预言中，双体系统因发出引力波而产生轨道衰减的情况。 这是对广义相对论的一次严格检验。 赫尔斯、泰勒二人凭借这一发现获得了 1993 年诺贝尔物理学奖。 2015 年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）更是第一次直接探测到双黑洞并合事件产生的引力波： 促成这一发现的几位物理学家几乎立即斩获了 2017 年诺贝尔物理学奖。 更不用说，我们每个人手中应用着卫星定位系统的电子设备，全都受益于广义相对论：如果不对地球引力及卫星运动的相对论效应进行改正，卫星定位系统将完全无法给出正确位置。 祝贺你，已经多次成功参与广义相对论的实验检验。 对广相检验历史有兴趣的读者， 可以参考文末给出的 Tests of General Relativity: A Review 这篇文章。 1916 年，广义相对论提出仅仅一年之后。 一个名叫卡尔·史瓦西的德国天文学家，在第一次世界大战的前线战地医院卧病时，写下一篇探索广义相对论的论文。 他给出广义相对论中描述时空性质的「爱因斯坦场方程」的第一个精确解。根据这个解，对于任何物体，都有一个与其质量相对应的半径，如果将其全部质量压缩到这个半径内，这些物质就将无止尽的向中心掉落，形成一个时空极端弯曲的奇点。 这个半径，后来被称作「史瓦西半径」。任何物质，包括光，都无法从史瓦西半径内逃出。 如果这个极端不可思议的预言也能得到证明，无疑将会是广义相对论的又一座丰碑。 但一开始，天文学家不相信自然界可以产生那么致密的天体。 1931 年，印度裔天文学家钱德拉塞卡指出，小恒星演化的遗骸、靠电子简并压维持存在的致密天体白矮星，一旦质量超过 1.4 倍太阳质量，就无法继续依靠电子简并压而维持存在，势必继续坍缩为中子星。 1939 年，美国理论物理学家奥本海默等人又指出，当中子星的质量超过某一极限（根据 LIGO 引力波观测的结果，这个极限目前被认为是 2.17 倍太阳质量），就连中子简并压也无法维持中子星的存在，超重的中子星也必然继续坍缩下去——而且似乎没有什么力量可以再阻挡这种坍缩。 看来宇宙似乎有办法把物质压进史瓦西半径以内。 但「奇点」这个让物理学失效的地方，却让一些理论物理学家寝食难安。惠勒一度质疑，形成奇点之后，原先的物质为何可以变成一个无物质的几何点。 随着理论研究的深入，物理学界逐渐廓清疑虑、建立了对这种极端天体各项性质的共识，它也于 1967 年被惠勒正式命名为「黑洞」；但来自一些非主流科学家的异议也始终存在，他们不断试图用黑洞之外的理论描述致密天体的结局。 随着一系列简介天文观测证据的出现，黑洞学说的事实基础逐渐坚实起来： 1972 年，美国天文学家使用探空火箭搭载的 X 射线探测器，发现了位于天鹅座的一个强 X 射线源，天鹅座 X-1。  黑洞成为解释宇宙中强 X 射线源形成机制的一把钥匙： 如果黑洞这样的致密天体位于一对密近双星中，它将掠食伴星的物质。来自伴星的物质在掉进黑洞的过程中，会形成一个旋进下落的「吸积盘」。由于物质在吸积盘的不同半径处公转速度不同，相邻物质团块之间会产生剧烈摩擦，使吸积盘达到极高的温度，从而释放出强烈的 X 射线。 由于磁场的作用，一部分吸积盘上的物质会被从垂直于吸积盘的方向上向两侧喷出。 黑洞的极端致密，让吸积盘物质掉落进黑洞之前，有机会把自身引力势能的很大比例转化成其他形式的能量释放出来：核聚变的质能利用率只有 1% 左右，而黑洞吸积盘释放出的引力势能折合成质量，则相当于掉落物质总质量的 30% 多。这既是吸积盘上极高温度的成因，也让吸积盘喷流得以加速到接近光速。 因此除了 X 射线双星，很多迸发出近光速喷流的星系中心，也被认为寄居有超大质量黑洞。 例如室女座星系团中心的大质量椭圆星系 M87： 在这张图上，我们只能看到一侧的喷流，是因为以接近光速喷出的喷流具有强烈的相对论性多普勒集束效应——朝向我们而来的物质显得明显更亮，背离我们而去的物质显得极为暗淡。 再比如，有人连续跟踪银河系中心恒星运动十多年，从其轨道计算出，中心天体拥有巨大的质量并且限制在非常小的尺度内，结论同样指向超大质量黑洞。以下是使用真实测量数据制作，并包含未来十几年预测的模拟动画： 但上面这些，归根结底只是间接证据。 LIGO 发现双黑洞并合产生的引力波，可以视为黑洞确实存在的一个准直接证据——但毕竟我们只是「听」到了黑洞并合的时空涟漪——不亲眼「看」见，总还是不太踏实。 由于黑洞吸积盘能够释放出强大的辐射，星系中央大质量黑洞的存在与否还对星系演化有着极为关键的影响，可以说当代天文学对星系演化的理解，严重依赖于确实存在星系中心超大质量黑洞这个假设。 如果最终居然证实没有黑洞的话，现在的天文教科书就要全部重写了。