《天體物理學雜志通信》于4月10日以特刊的形式通過六篇論文發表了這一重大結果。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。
這是一場堪稱史無前例黑洞“攝獵”！這是事件視界望遠鏡國際合作項目于2017年觀測，歷時近2年時間分析產生的重大科學成果，共有兩百多名科學家、工程師和技術人員參與其中，調動了散布于全球的 9 個天文臺的力量。
我們是多么幸運，成為了見證首張黑洞照片誕生的第一批人類！
什么是黑洞？
引力波和黑洞都是愛因斯坦廣義相對論的理論預言，早在1915年，愛因斯坦發表了劃時代的理論：廣義相對論，并于次年用這個理論預言了引力波。此后，他花了近二十年的研究才相信引力波是真實的，而人類更是在近百年之后才首次探測到引力波。而引力波與黑洞的相關理論工作都是在同一年（即1916年）發表的。在那一年，德國物理學家卡爾·史瓦西解出了廣義相對論的第一個精確解：史瓦西解，也就是我們現在所知道的靜態、球對稱的史瓦西黑洞。
史瓦西在這之后的幾十年中，黑洞的研究進展緩慢，沒有人知道在廣袤宇宙中是否真實存在著史瓦西解對應的天體，大多數學者都只是對這個解的理論或數學結構感興趣。1939年，奧本海默和斯奈德發現球對稱的大質量恒星在其核能耗盡后會在引力作用下直接塌縮向中心。1958年，芬克爾斯坦作出了突破性貢獻，發現在史瓦西半徑（黑洞的一個特征半徑，也叫引力半徑或事件視界）之內，任何粒子和光都無法逃離黑洞。因此，從大約1963年開始，史瓦西解對應的天體開始被稱為黑洞，尤其是在1967年被普林斯頓大學著名物理學家約翰·惠勒采用后，“黑洞”這個詞變得廣為流行。
從1970年左右開始，天文學家逐漸在宇宙中找到黑洞可能真實存在的觀測證據。天文學家發現的黑洞候選體大體上可以分成兩大類別：恒星質量黑洞與超大質量黑洞。對于質量位于它們之間的中等質量黑洞，目前的觀測證據則要少很多。
2015年，人類首次探測到了來自宇宙中的引力波，引力波的探測可以說是近幾年物理與天文學界最重大的突破之一。它不僅進一步驗證了廣義相對論，而且還對引力波與黑洞的存在給出了關鍵的觀測證據。因此，對這個項目起到決定性作用的三位科學家迅速在2017年獲得了諾貝爾物理學獎。這次引力波信號持續時間不到1秒，天文學家相信它來源于兩個質量分別約為30和35倍太陽質量黑洞的碰撞并合。這和理論預期是一致的，廣義相對論的計算告訴我們當運動的質量擁有變化的加速度時會輻射引力波。在絕大多數情況下，引力波輻射是非常微弱的，而兩個互相繞轉的致密天體（如黑洞和中子星）正是天然的引力波源，其在并合前輻射的引力波就相對比較強。
LIGO與引力波（圖片來源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）近幾年引力波事件中探測到的黑洞是恒星質量黑洞，質量大概在數倍到數十倍太陽質量之間。對于這類黑洞，我們已經有了較好的了解，我們相信它們是大質量恒星演化的最終產物。按照估計，銀河系大約有千億顆恒星，其中大質量恒星壽命比較短，多數應該都已經演化成黑洞，銀河系中估計大約有1億顆恒星質量黑洞。目前人類在銀河系中只探測到幾十顆這類黑洞候選體，其中離我們最近的黑洞麒麟座V616離我們大約有3000光年。
黑洞接近太陽系的想象圖 來源：Spaceanswers網站如果有未知黑洞靠近我們的家園太陽系，可能會把一些外太陽系的小天體散射進入內太陽系；如果黑洞進入太陽系，它甚至會影響地球的運行軌道，給地球生命帶來災難性影響。黑洞吸積過程產生的高能輻射與噴流也可能對地球產生重大影響。
超大質量黑洞：星系中心的巨獸
超大質量黑洞及其吸積盤的藝術想象圖 來源：Space Engine此次事件視界望遠鏡（EHT）國際合作項目探測的兩個黑洞分別是銀河系中心黑洞和位于室女座方向的橢圓星系M87中心的黑洞，這兩個黑洞都屬于超大質量黑洞。
超大質量黑洞的質量通常介于百萬到百億倍太陽質量之間，其典型值是數億倍太陽質量。從理論上來說，黑洞的質量都集中在中心密度無窮大的奇點，奇點之外是彎曲糾纏的時空。但如果把黑洞的引力半徑看成黑洞的大小，那么質量越大的黑洞就顯得越“虛胖”。對于十倍太陽質量的恒星質量黑洞，其引力半徑大約是三十公里，接近于上海崇明島的大小，非常致密且其平均密度超過中子星的物質密度。對于1億倍太陽質量的超大質量黑洞，其引力半徑已經增大到太陽與地球距離的兩倍，平均密度卻僅相當于地球上水的密度，也和太陽的平均物質密度相當。
目前觀測到的超大質量黑洞基本都位于星系的中心區域。我們銀河系中心就有一個大約四百萬倍太陽質量的黑洞，在超大質量黑洞中屬于比較小的，其引力半徑大約是日地距離的十分之一。
銀河系銀盤示意圖——來源：中科院國家天文臺作為宇宙的基本結構單元，星系是黑暗廣袤宇宙中的明亮島嶼，其中含有大量暗物質、恒星、氣體等物質。銀河系中大約有千億顆如太陽般因中心核聚變發光的恒星。此外，天文學家相信每個大質量星系中心都有一個超大質量黑洞。
超大質量黑洞經常被稱為宇宙巨獸，但這應該不是因為它們的體積。對于一個典型的1億倍太陽質量的超大質量黑洞，其引力半徑大約等于400倍的太陽半徑，僅僅只是星系中相鄰兩個恒星平均距離的十萬分之一。超大質量黑洞之所以被稱為宇宙巨獸，主要是因為它們的質量巨大，達到百萬到百億倍太陽質量，并且它們對星系的影響巨大。超大質量黑洞可以主導比其引力半徑大千萬倍的星系中心區域的引力，產生的能量爆發足以深刻影響比其引力半徑大十億倍以上的星系中的氣體分布和恒星形成。
如果把星系縮小成地球大小，那么其中心的超大質量黑洞大約只有一?；ㄉ状笮 ５@個位于“地球”中心的“小花生米”在“進食”（吸積物質）過程中產生的能量爆發卻深刻影響到了整個“地球”上的氣候變化（氣體運動）和生命成長（恒星形成）。超大質量黑洞對星系的影響，一般被稱為反饋作用，是當前天文學研究的熱點前沿方向之一。
宇宙巨獸的休眠與爆發
那么，超大質量黑洞是怎么通過反饋機制影響到整個星系的演化呢？超大質量黑洞因為其強大的引力可以吸積運動到其附近的物質，如氣體、恒星等。被吸積的物質通常擁有角動量，會環繞黑洞形成旋轉的吸積盤或比較厚的吸積流，其中一部分物質最終會進入黑洞。因為黑洞的致密性與強引力，黑洞吸積過程會釋放大量的引力能，轉化為被吸積物質的動能，其中一部分動能會因為氣體間的“摩擦”或磁場的作用耗散為氣體內能。黑洞吸積過程可能是已知宇宙中能量轉化效率最高的物理過程，其能量轉化率是熱核聚變能量轉化率的數十倍。
黑洞吸積過程與能量釋放的三種方式（郭福來制圖）黑洞吸積過程釋放能量的方式主要有三種，包括光輻射、準直性很好的噴流、和張角較大的外流。光輻射與外流可以對超大質量黑洞的周邊環境產生強烈影響，而噴流與強外流則可以傳播到星系甚至更大空間尺度上。因此，這些釋放的能量與星系內的氣體相互作用，可能直接影響黑洞吸積流（如外流改變了黑洞吸積率），影響了對黑洞吸積系統的物質供給，甚至影響了星系中的氣體動力學與恒星形成。
M87星系中心黑洞的射電噴流反饋 來源：美國國家射電天文臺目前黑洞反饋作用最直接的觀測證據在星系團中。位于星系團中心的超大質量黑洞在吸積物質的過程中，釋放出強力的射電噴流，并在星系團內區產生半徑達數千到數十萬光年的大氣泡。這些大氣泡中含有大量在噴流中被攜帶或加速的高能粒子，產生可觀測的射電輻射。星系團中含有大量能產生X射線輻射的熱氣體，而噴流產生的射電氣泡可以排開其周邊的星系團氣體，在星系團的X射線圖中產生X射線輻射明顯偏弱的空洞和激波、聲波等結構。觀測發現黑洞噴流傳遞給星系團氣體的能量足以彌補其因X射線輻射而損失的能量。
因為強烈的能量釋放，處于吸積物質階段的超大質量黑洞可以被稱為爆發中的宇宙巨獸。相對應的，停止吸積物質或吸積率非常低的超大質量黑洞可以被稱為休眠中的宇宙巨獸。黑洞因為“進食”而爆發，因此爆發中的宇宙巨獸也正在積極成長中。
一個超大質量黑洞在其成長歷程中很可能經歷了多個“爆發-休眠-爆發”的周期性輪回。在銀河系的近億顆恒星質量黑洞中，目前僅有二十多顆因為產生X射線輻射（“爆發”）而被人類探測到，說明大部分恒星質量黑洞在休眠中。同樣的，近鄰宇宙中的大部分超大質量黑洞也在休眠中。我們知道宇宙一直在膨脹中，過去的宇宙中的物質更加密集，星系中的氣體含量也更高，而超大質量黑洞的爆發也很可能比今天的宇宙更加頻繁。
人馬座A*超大質量黑洞 來源：NASA銀河系中心黑洞–人馬座A*
至今為止，超大質量黑洞存在的最強證據是我們銀河系中心的超大質量黑洞 – 人馬座A* （Sagittarius A*）。這也是離我們地球最近的超大質量黑洞，它最早是1974年在射電波段被觀測到的，位于人馬座，后面的星號“*”主要是用來表示這是一個激動人心（exciting）的觀測信號，在原子物理中也常被用來代表原子的激發態（excited states）。人馬座A*是事件視界望遠鏡對黑洞進行拍照的兩個超大質量黑洞之一。
在人馬座A*附近，有一些大質量恒星繞著它做開普勒運動。近二十多年來，德國和美國的幾個研究團組一直在跟蹤這些恒星的運行軌道，并由此確定在位于射電源人馬座A*的接近太陽系大小的極小空間范圍內存在著大約四百萬倍太陽質量的天體，按人類現有的知識幾乎只能用超大質量黑洞來解釋。這是事件視界望遠鏡對黑洞進行拍照之前超大質量黑洞存在的最好觀測證據。
銀河系費米氣泡 來源：NASA近期的觀測確實找到了人馬座A*在過去曾經經歷過爆發期的可能證據。2010年國際十大物理事件之一是內銀河系中費米氣泡的發現。這是在高能量的伽馬射線波段發現的、位于銀河系中心上下的兩個巨大橢圓形氣泡。每個氣泡沿著銀河系對稱軸方向的長度大約有3萬光年，和銀盤上太陽與銀河系中心的距離相當。目前天文學界對費米氣泡的起源還沒有定論，但最可能的應該是起源于人馬座A*的能量爆發。筆者在2011年提出源自銀河系中心黑洞的噴流可以自然產生費米氣泡，這是費米氣泡起源于人馬座A*的第一個模型。
在我們最新的模型中，產生費米氣泡的噴流發生在數百萬年前，持續了約1百萬年的時間，當時人馬座A*的吸積率大約是每1萬年吸積大約1個太陽質量的物質，是當前其吸積率的一萬倍。在更久遠的過去，人馬座A*很可能還經歷過吸積率更高的爆發期，因為這個吸積率尚不足以在宇宙年齡內單靠吸積產生如今質量的銀河系中心黑洞。
目前人馬座A*處于休眠期，其物質吸積率大約只有每1億年吸積1個太陽質量的物質。如果人馬座A*在過去的吸積率也一直如此，那么它需要吸積400萬億年才能達到今天的質量（400萬倍太陽質量），這個時間遠遠超過當今宇宙的年齡（138億年）。這個論證可以說明銀河系中心黑洞在過去肯定經歷過成長很快的爆發期。
作為首次看到黑洞真身的碳基生命：人類，我個人覺得無比幸運。不過，這僅僅是一個開始，事件視界望遠鏡對M87和銀河系中心黑洞于2017年都進行了觀測，4月10 日公布的只是其中一個，另一個的數據處理分析還在進行中。未來的觀測更可期待，人類將以前所未有的精度嚴格檢驗愛因斯坦提出的廣義相對論，探索靠近黑洞引力半徑附近的吸積流與外流物理。
