深入解读

了解黑洞

根据爱因斯坦引力场方程的计算，如果大量物质集中于空间一点，奇点周围会形成时空扭曲的“视界”，一旦进入这个界面，连光子也无法逃逸。

这个预测在1916年被提出来，不过，直到1967年，普林斯顿大学核物理学家约翰？惠勒才在一场讲座里首次使用了“黑洞”（blackhole）这个词汇，并迅速流传开来。

确切地说

黑洞是

一种密度极大、体积极小的天体

本次拍摄的模特之一

位于星系M87中的黑洞

质量大概相当于65亿个太阳！

这个超级质量的天体

是由众多的小黑洞合并而来

小质量黑洞是在恒星“死亡”后

内核发生引力坍缩时形成的

几乎所有质量

都集中在最中心的“奇点”处

为什么能给不发光的黑洞拍照？

通过这段时间媒体介绍，想必大部分同学也都了解，恒星级质量的黑洞是由大质量恒星演化到末期核心发生引力坍缩而成。中等质量黑洞和大质量黑洞的形成的具体方式目前还没有定论：可能是由小黑洞合并形成，也可能是由黑洞通过吞噬物质逐渐形成，还可能是由大量气体物质直接坍缩形成。

黑洞之所以黑，是因为吸引力实在太强，以至于连光线都无法逃脱它强大的俘获力，所以我们看不到它的存在；我们从来没有看到过黑洞，迄今为止所有关于黑洞的图片都是出于想象。黑洞不仅「黑」，而且占据的空间非常狭小，还藏在浓重的星尘之间，用可见光观察方式根本没有可能。

而本次能给黑洞“拍照”完全借助于一种叫做“事件视界望远镜”的虚拟望远镜，其利用一种叫“甚长基线干涉测量”（VLBI）的技术。允许用多个天文望远镜同时观测一个天体，模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。

又因黑洞的不可见性也增加了其被发现的难度，但黑洞周围通常都有物质环绕，组成一个盘状结构，叫“吸积盘”。吸积盘内的物质围绕黑洞高速旋转，相互之间由于摩擦而发出炽热的光芒，包括从无线电波到可见光、到X射线波段的连续辐射。吸积盘处于黑洞“视界”的外部，因此发出的辐射可以逃逸到远处被我们探测到。

因此，我们拍摄到的不是黑洞本身，而是利用其边界上的物质发出的辐射勾勒出来的黑洞的轮廓，就像看皮影戏一样。

什么是黑洞的“事件视界”？

简单来讲，黑洞的事件视界（Eventhorizon）就是指围绕黑洞的一个时空边界，任何物质、甚至光线一旦越过这个边界，永远无法返回。但对于进入视界的物体来讲，其实感觉不到事件视界有什么奇异之处。除了事件视界，还有绝对视界和显视界之分，这里我们就不细说了。

我们通常说的黑洞的大小，其实就是指黑洞视界面的大小。如果把太阳压缩成一个黑洞，其视界半径仅3公里！如果把地球压缩成黑洞，其视界半径仅9毫米！没写错，是9毫米。

什么是“事件视界望远镜”？

前面我们提到，天文学家为了观测黑洞视界边缘上的物理过程，动用了分布在全球的8座毫米/亚毫米波射电望远镜，这些望远镜组成了一个虚拟的，口径接近整个地球的望远镜，这座虚拟的望远镜，称为“事件视界望远镜”。

从位于西班牙的口径30米的毫米波望远镜（IRAM30-metertelescope），到位于夏威夷的两座射电望远镜，再到位于南极洲的南极望远镜（SouthPoleTelescope）等都参与了这场伟大的观测。这8座毫米/亚毫米波射电望远镜分别为：

位于西班牙内华达山脉的30米毫米波望远镜（IRAM30m）；

位于美国亚利桑那州的海因里希o赫兹亚毫米波望远镜（SMT）；

位于墨西哥一座死火山顶部的大型毫米波望远镜（LMT）；

位于夏威夷的詹姆斯o克拉克o麦克斯韦望远镜（JCMT）；

位于夏威夷的亚毫米波阵（SMA）；

位于智利沙漠的阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA）；

位于智利沙漠的阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX；

位于南极阿蒙森o斯科特观测站的南极望远镜（SPT）；

在这8座射电望远镜当中，要数阿塔卡马大型毫米波阵(ALMA）最为强大！ALMA位于智利北部的阿塔卡马沙漠中，海拔达5000米，那里终年干旱，为观测创造了良好的条件。目前，ALMA是由66架可移动的单体望远镜组成的干涉阵列，望远镜之间通过光纤传递信息。ALMA造价达14亿美元，是目前最为昂贵的地基望远镜之一。如果没有ALMA的加盟，观测黑洞的视界简直是不能完成的任务。

为什么不采用光学望远镜进行观测？

我们知道，人眼能够看到的光线称为可见光，是电磁波谱的一部分，频率范围从430太赫兹到750太赫兹，相应的波长范围从400纳米到700纳米。

射电望远镜就是利用射电波进行观测的望远镜，射电波也是电磁波谱的一部分，频率范围从高频的300吉赫兹到低频的30赫兹，相应的波长范围从1毫米到10000公里。在自然界，从闪电到宇宙天体都会发出射电波。

黑洞周围通常会被厚厚的气体和尘埃环绕，由于星系中心的黑洞被厚厚的星际尘埃和气体阻挡，光学波段的望远镜无能为力，只能采用射电波段。毫米波已经是射电望远镜所用波长的下限，在电磁波谱上已经与红外线接壤。

望远镜的分辨率主要取决于两个参数，一个是所使用的波长，一个是口径的大小：口径一定，波长越短分辨率越高；波长一定，口径越大分辨率越高。

为了能够观测到黑洞视界上的物质行为，事件视界望远镜已经把射电望远镜的分辨率提高到了前所未有的高度，到了10到20个微角秒的程度！这相当于看清4000公里外硬币上的发行日期。相比之下，人眼的分辨率大约为1角秒，哈勃望远镜的分辨率为0.05角秒，也就是说事件视界望远镜的分辨率是哈勃望远镜的数千倍。当然，虽然这台虚拟的望远镜分辨率惊人，但由于毕竟是由分散很广的望远镜拼成，成像清晰度并不令人满意。

冲洗照片为何花了两年时间？

上面提到，本次拍摄，人类使用了遍布全球的八台射电望远镜，组成一个同步协调的阵列，就像整个地球一样大的「望远镜」，叫做「事件视界望远镜（EHT）」，观察的就是黑洞的「事件视界」。虽然确切说只是地球望远镜的一些「碎片」，但是随着地球旋转，这些碎片采集的图像逐渐拼凑起来，得到越来越清晰的整个影像。

黑洞照片“拍”起来难，“洗”出来也难。虚拟的大望远镜阵列并非直接拍出了黑洞的图像，而是给出了许多数据，必须经历复杂的计算机处理过程。其中还有些缺失或模糊的部分，需要科学家们拼图。

在2017年4月的联合观测以后，研究团队还进行了一些数据收集和校准的工作。

之所以耗费这么久

是因为

EHT收集到的数据

已经不能用海量来形容了

事件视界望远镜每一个晚上

所产生的数据量可达2PB

这是什么概念

1PB=1024TB=1048576GB

大约相当于2万部最高清蓝光电影

和欧洲大型质子对撞机

一年产生的数据量差不多

这样看来

速度还是挺快哒

为了让我们早点看到黑洞

科学家们真的是太拼了！

向你们致敬！

看完了？看懂没？

没懂？没懂也不能走！

先来做套高考题压压惊~

模拟试题

单选题

一、2015年11月26日，一个黑洞国际研究小组宣布，他们观测到了一次黑洞吃“太阳”(宇宙中的某恒星)的罕见天文现象。此过程中黑洞喷流的能量相当于太阳向外喷发1000万余年的能量。据此回答下列问题。

1．下列说法正确的是

A．黑洞不属于天体B．太阳属于行星

C．黑洞吃“太阳”不可信D．太阳向外喷发的能量来源于核聚变

2．关于太阳对地球的影响，说法正确的是

A．黑洞吃了“太阳”，地球也会毁灭

B．太阳对地球的影响都是有利的

C．太阳向外喷出巨大的能量时可能对地球带来不利影响

D．太阳对地球影响不大

3．近日，中国公布引力波探测路线图，“太极计划”将探测黑洞奥秘，推测与引力波最类似的是

A.彗星 B.行星 C.行星际物质 D.卫星

4．下列关于宇宙的认识正确的是

①宇宙是由各种形态的物质构成，是在不断运动和发展变化的

②宇宙中可能有目前人类还不了解的物质形态

③白矮星、中子星、黑洞等都是宇宙中物质的存在形式

④“日心说”是科学的，说明人类对宇宙的认识是不断加深的

A．②③④B．①③④C．①②④D．①②③

二、公元前28年，史籍曾记载“日出黄，有黑气大如钱，居日中央”。据此回答下列各题。

5．“黑气”是指（）

A．黑洞B．耀斑C．黑子D．带电粒子

6．此现象发生在太阳的

A．光球层B．色球层C．日冕层D．太阳内部

7．此现象明显增多时，地球上相应的变化有（）

A．南极冰山融化速度加快

B．地球上火山地震频发

C．南极上空臭氧空洞范围明显扩大

D．无线电短波通讯受强烈干扰

参考答案

1．D

2．C

【解析】

1．组成宇宙的物质称为天体，所以黑洞也属于天休，A错；太阳属于恒星，B错；黑洞吃“太阳”指的是黑洞吞噬宇宙中的某一颗恒星，是研究小组观侧到的，可信，C错。太阳向外喷发的能量来源于核聚变，D正确。

2．太阳对地球的影响表现在两方面，太阳辐射对地球的影响主要是有利影响，太阳活动对地球的影响主要是不利影响，故B错误。黑洞吃的“太阳”非太阳系中的太阳，所以地球不会毁灭，A错。太阳向外喷出巨大的能量时，可能是太阳活动爆发，所以可能对地球带来不利影响，故C正确。太阳是地球上生命得以延续的必要条件之一，所以太阳对地球影响大，D错。

3．C

【解析】

试题分析：太极计划将主要探测中低频段引力波，彗星、行星、卫星都不是波的形态，A、B、D错。推测与引力波最类似的是行星际物质，C对。

考点：太极计划。

4．D

【解析】

宇宙是由各种形态的物质构成，是在不断运动和发展变化的，宇宙中可能有目前人类还不了解的物质形态，白矮星、中子星、黑洞等都是宇宙中物质的存在形式，①②③正确；人类对宇宙的认识是不断加深的，但“日心说”是不科学的，④错误。故选D。

5．C

6．A

7．D

【解析】

5．光球层表面常出现一些黑斑点，叫太阳黑子，材料中的黑气指的是太阳黑子，C正确；由于黑子的温度比光球表面其他地方低，所以才显得暗一些。

6．太阳大气层，由内向外分为光球层、色球层和日冕层，黑子发生在太阳大气的光球层，A正确。

7．黑子明显增多时，其发射的电磁波进入地球大气层，会引起大气层扰动，使地球上无线电短波通信受到影响，甚至出现短暂的中断，D正确。

【点睛】

太阳活动对地球的影响：

当太阳黑子和耀斑增多时，其发射的电磁波进入地球大气层，会引起大气层扰动，使地球上无线电短波通信受到影响，甚至出现短暂的中断；太阳大气抛出的高能带电粒子会扰乱地球磁场，使地球突然出现“磁暴”现象，导致罗盘指针剧烈颤动、不能正确指示方向；如果太阳大气抛出的高能带电粒子高速冲进两极地区的高空大气，并与那里的稀薄大气相互碰撞，还会出现美丽的极光；近几十年的研究还表明，地球上许多自然灾害的发生与太阳活动有关，如地震、水旱灾害等。

拓展阅读

了解银河系

正如「日心说」取代「地心说」，银河系中心使得人们的视野超越了太阳系。而人马座27度，是一个你必须知道的黄道位置：朝这个方向望去，就是银河系的中心所在，它距离我们26000光年，天文学名称叫人马座A星（SgrA*）。这个庞大无比的中心有四百万个太阳的质量，但是人们看不到它，因为它是一个黑黝黝的「黑洞」。

科学家持之以恒地对这个区域进行了透视观察，看到一些天体围绕着这个看不见的神秘区域跳着回旋舞，确信那里是一个无比致密的核心。不止是这几颗靠近的星，整个星系的成百上千亿颗星都在围绕着它旋转。在每一个漩涡星系的核心，都有一个这样的黑洞。

但银河系也是更大尺度的结构的一部分，她从属于拉尼亚凯亚超星系团（LaniakeaSupercluster），银河系和其他的星系组成无数的队列，以每秒钟数百公里的速度，在更大的力量的推动下朝一个神秘的聚集地「巨引源」飞行。这个超星系团有超过十万个星系，在下面这张图上，每个亮点都是一个星系，我们整个银河系就在右下角红点处。

地球的宇宙位置：

宇宙＞总星系＞双鱼-鲸鱼座超星系团复合体＞室女座超星系团＞本星系群＞银河系次集团＞银河系＞猎户臂＞古尔德带＞本地泡＞本星际云＞太阳系＞地月系＞地球

人类发现的第一个黑洞

人类探测到的第一例引力波信号，就是由双黑洞并合产生。而人类发现的第一个强有力的黑洞候选天体是1964年发现的天鹅座X-1，距离地球约6000光年。

天鹅座X-1有一个正在被它吃掉的“舞伴”，但伴星的质量却比它本身更加大，引发了广泛的争议，其身份长期悬而不决，霍金都为此打过赌（并输掉了）。科学家们后来测得天鹅座X-1的质量约为14.8个太阳，视界半径300公里，应该是一个“胃口”非常小的黑洞。

目前，科学家们更为关注的一类黑洞候选系统是软X射线瞬变源。这类系统包含一个小质量的舞伴，通常处于宁静态，但会出现间歇性的X射线爆发现象，间隔时间从数月到数十年不等。间歇性爆发的时候，就是探测黑洞的好时机。