历史上首张黑洞照片即将公布，我们该关注哪些问题？

　　一直以来，天文学家都一直梦想着能够“看见黑洞”。在不懈地努力下，这个梦想即将成真。正如夜空中的星星具有不同的类型一样，黑洞也可以根据它们的大小和质量而被分为几类：

　　原初黑洞：形成于大爆炸之后，大多数都非常小，质量较低的那些可能已经蒸发殆尽，质量较大的可能依然存在——不过我们还没有发现它们的踪迹。恒星级黑洞：在大质量恒星的生命末期，最终会形成一颗黑洞。大多数恒星级黑洞的质量介于5到10个太阳质量之间，但有些则比太阳质量高出几十或上百倍。超大质量黑洞：这些黑洞的质量要比太阳质量高出几百甚至数十亿倍，它们栖居在星系的中央。这些黑洞是如何形成的依旧是天文学中最大的谜题之一。中等质量黑洞：质量介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间。天文学家已经发现一些可能的候选，但还没有确凿的证据表明它们存在。

　　事件视界望远镜（EHT）是一台由世界各地的射电天文台组成的望远镜，它的分辨率相当于使用了一台尺寸为地球般大的虚拟望远镜。2017年4月，EHT对准了宇宙中的一对引力怪兽：一个是银河系中心的超大质量黑洞人马座A*，另一个是位于M87星系中心的超大质量黑洞。

　　经历了漫长的数据分析，终于，EHT将在4月10日公布“突破性”的结果！在这历史性的一刻到来之前，我们需要知道的是，此次的意义不仅在于我们即将看到黑洞的第一张照片，还意味着我们或许即将揭开一些已让我们困惑许久的谜题：

　　1. 检验爱因斯坦的理论

　　所有人关心的第一个问题自然是：黑洞究竟长什么样子？如果一切都如广义相对论的预期，那么我们看到的黑洞图像将会是：一个圆形“剪影”被一圈明亮的光子圆环所围绕：

　　M87星系中心的超大质量黑洞的模拟图像。中间的黑色区域是黑洞的剪影。图片：Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)观测黑洞的剪影非常重要，因为它的形状和大小是由爱因斯坦的广义相对论所决定的。科学家渴望在黑洞这样极端的引力环境下，检验广义相对论的有效性。一些其他试图替代广义相对论的引力理论预言了稍微不同的形状。因此，确定黑洞剪影的的确切形状，或许能帮助我们打破理论物理学中最令人沮丧的一个僵局——广义相对论与量子力学之间的矛盾。

　　广义相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，广义相对论适用于质量巨大且引力作用很强的物体，比如黑洞；量子力学则控制着亚原子粒子的奇异世界。但这两种在各自领域都非常成功的理论却互不相容。所以，有些东西必须放弃。如果广义相对论在黑洞的边界处失效，这或许会为理论物理学家指明前进的方向。

　　黑洞剪影的模拟图像：广义相对论预言剪影是圆形的（中），其他理论则预言了不同的形状（左、右）。图片：D. Psaltis and A. Broderick2. 理解吸积盘

　　当人们想到黑洞时，脑海中浮现的画面可能就像是一个巨大的吸尘器，它能吸走附近所有的物质。事实上，黑洞确实会通过吞噬附近的物质而成长，但物质落入黑洞实际上是相对困难的。如果物质与黑洞保持了一定的距离，那么它们可以只在引力的作用下一直绕着黑洞旋转，就像太阳系中的行星绕着太阳旋转一样。因此，如果要使物质能被黑洞吞噬，那么除了引力外，还需要其他的东西让它足够地靠近黑洞。这个过程被称为吸积，它是由摩擦力驱动的。当物质以气体的形式落入黑洞时，它会失去引力能，并因摩擦而受热。气体会在黑洞周围形成一个热盘，并落入黑洞，从而导致黑洞生长。

　　由于黑洞是如此巨大，但同时又如此致密，物质需要放弃许多能量才能落入。因此超大质量周围的一些吸积盘异常明亮，其亮度可以超过其宿主星系中所有恒星的总和。在银河系中心的人马座A*周围有着相对较暗的吸积盘，其亮度只有太阳的几百倍。EHT的一个关键目标，就是理解为什么相比于宇宙中其他的一些明亮黑洞，我们星系中的黑洞如此暗淡。

　　另一个悬而未决的问题是：是什么产生了使黑洞可以成长的摩擦力？通常情况下，摩擦是由原子间的相互碰撞引起的，但超大质量黑洞周围的气体非常稀薄，原子间很少发生碰撞。因此必然存在一些更复杂的机制引起了摩擦，从而使吸积盘可以形成。一个主要的假设是，旋转的磁场产生了一种特殊类型的湍流，从而使吸积盘能以一种类似摩擦的方式在耗散能量，而不需要原子间的直接碰撞。然而，这种湍流从未在实验中观测到过。通过拍摄黑洞周围的吸积盘，EHT将进一步验证这一假设，并将更好地理解使吸积盘形成和黑洞成长的过程。

　　在EHT公布突破性结果的前夕，天文学家首次拍摄到在天鹅座A中心的超大质量黑洞周围的“尘埃环”，这是活动星系核（AGN）统一模型的重要成分。图片：Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF3. 一些黑洞是如何产生喷流的？

　　一些黑洞是贪婪的饕餮，它们吸入大量的气体和尘埃；而另一些黑洞却是挑剔的吞噬者。没有人知道是什么原因导致了这种差别。人马座A*似乎属于挑剔的那一类，虽然质量高达400万个太阳质量，但它却有着出奇暗淡的吸积盘。而EHT的另一个观测目标——M87星系中的黑洞，就是一个贪婪的吞噬者。它的周围不仅聚集着一个明亮的吸积盘，它还会发射出一束明亮、快速的带电亚原子粒子喷流，可以延伸到5000光年的距离。

　　许多其他黑洞产生的喷流比整个星系还要长、还要宽，可以从黑洞延伸到数十亿光年之外。那么问题来了：什么东西会如此强大，能够将这些喷流发射到如此遥远的距离？如今在EHT的帮助下，我们终于可以追踪到底发生了什么了。EHT对M87星系中心黑洞的测量将有助于估计它的磁场强度，而天文学家认为，黑洞的磁场强度与喷流发射机制有关。当喷流接近黑洞时，对喷流性质的测量将有助于确定喷流的来源——它到底是在吸积盘的最内部，还是在吸积盘中更远的地方，又或是在距离黑洞自身更远的地方。

　　这些观测结果还可能揭示出，喷流是从黑洞自身的某些部分发射的，还是吸积盘中快速流动的物质发射的。由于喷流可以将物质带出星系中心，带向星系之间的区域，因此喷流可能会影响星系的生长和演化，甚至会影响恒星和行星形成的位置。无论明天最终的结果会是什么，都将是划时代的，让我们拭目以待！

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