图1：人类首张黑洞照片 M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像，图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”，周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束（beaming）效应所造成的。由于黑洞的旋转效应，图片上显示了上（北）下（南）的不对称性。
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撰文 | 左文文（中国科学院上海天文台）
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如果要评选出2019年最有价值和最受期待的照片，那么非上面这张照片莫属。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片，也是人类拍摄的首张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据，从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。
照片于2017年4月拍摄，2年后才“冲洗”出来。2019年4月10日，由黑洞事件视界望远镜（Event Horizon Telescope， EHT）合作组织协调召开全球六地联合发布。
那么，这张黑洞照片是如何拍出来的呢？
我们首先来看一个小视频：
似乎还不明白？没关系，下面的详细讲解，将揭开“黑洞写真”的秘密！
快跟我一起来吧。
看不见的黑洞 如何证明它存在？
一百多年前，爱因斯坦提出广义相对论，将引力视为时空扭曲的效应。他的方程预言，一个小而重的物体能隐藏在事件视界（event horizon）之内，在视界内，其引力强大到连光都无法逃脱，这个物体就是黑洞。几乎所有的星系中心都存在黑洞，在那里它们可以成长到太阳质量的数百万或者数十亿倍。
在这次拍照前，主要有三类代表性证据可以表明黑洞存在：
1. 恒星、气体的运动透露了黑洞的踪迹。黑洞有强引力，对周围的恒星、气体会产生影响，可以通过观测这种影响来确认黑洞的存在。
2. 根据黑洞吸积物质（科学家们把这个过程比喻成 “吃东西” ）发出的光来判断黑洞的存在。在黑洞强引力的作用下，周围的气体就会向黑洞下落，在距离黑洞几百到几万倍事件视界的地方形成一个发光的腰带——吸积盘。
以超大质量黑洞为例，如果把黑洞的吸积盘区域比作一个黄豆，普通星系就相当于一个身高5万米的巨人，虽说黄豆般大小的活跃黑洞比巨人般的星系小千万倍，但每秒钟发出的能量却还要强很多。这种小尺寸、大能量的性质使我们推断它很可能是黑洞。
3. 通过看到黑洞成长的过程“看”见黑洞。LIGO 探测的五次引力波都对应了恒星级质量黑洞的并合事件，见证了更小的黑洞借助并合成长为更大黑洞的过程。这类引力波的发现，也是我们推断黑洞存在的证据之一。
以上都是间接的证据，而要想直接“看”到黑洞，天文学家希望拍到类似的照片：
图2：其中一种理论模型预言的银心的黑洞阴影以及周围环绕的新月状光环，图片来源：路如森，上海天文台
广义相对论预言，因为黑洞的存在，周围时空弯曲，气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中，引力能转化为光和热，因此气体被加热至数十亿度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，事件视界看起来就像阴影，阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。鉴于黑洞的自旋及与观测者视线方向的不同，光环的大小约为4.8-5.2倍史瓦西半径（作者注：史瓦西半径，指没有自旋的黑洞的事件视界半径）。
给黑洞拍照 不止是为了“眼见为实”
给黑洞拍照，有三个科学意义：
1. 对黑洞阴影的成像将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的，给黑洞拍照最主要的目的就是在强引力场下验证广义相对论，看看观测结果是否与理论预言一致。
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。
图3：哈勃空间望远镜拍摄的M87，图片版权：NASA
黑洞照片应该是这样：圆形阴影 光环
一百年前，爱因斯坦广义相对论提出后不久，便有科学家探讨了黑洞周围的光线弯曲现象。上世纪70年代，James Bardeen及Jean-Pierre Luminet 等人计算出了黑洞的图像。上世纪90年代，Heino Falcke等天文学家们首次基于广义相对论下的光线追踪程序，模拟出银河系中心黑洞 Sgr A*的样子，引入了黑洞“阴影”的概念。
理论预言，受黑洞强引力场的影响，黑洞吸积或喷流产生的辐射光被黑洞弯曲，使得天空平面（与视线方向垂直的面）被黑洞“视边界”（apparent boundary）的圆环一分为二：在视边界圆环以内的光子，只要在视界面以外，就能逃离黑洞，但受到很强的引力红移效应，亮度低；而视边界圆环以外的光子，能绕着黑洞绕转多圈，积累的亮度足够高。
