黑洞的概念最早可以追溯到1783年。那時候劍橋科學家約翰·米歇爾（John Michell）發現：一個物體的質量足夠大而體積足夠小時，它就可以吸引所有物體，就連光也不能逃脫。一個多世紀後，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）發現了愛因斯坦廣義相對論的一個正確答案，這個答案也指向相同的結果：黑洞。
米歇爾和史瓦西都清楚地預測了事件視界----即光無法逃脫的區域大小----與黑洞質量以及光速的關係。在史瓦西發表成果後的103年內，該結果都沒有得到驗證。終於在2019年4月10日，科學家公布了史上第一張黑洞事件視界的照片。愛因斯坦的理論再次取得勝利，也是科學的又一次勝利。
圖解：地球上能夠觀測到的第二大黑洞位於M87星系的中央，就是以下三張圖展示的那樣。上圖是哈勃望遠鏡拍攝的光學圖片，左下圖是美國國家無線電天文臺拍攝的無線電圖片，右下圖是錢德拉X射線天文臺拍攝的X射線圖片。該黑洞的質量相當於66億個太陽，同時它比人馬座A*還遠2000倍。事件視界望遠鏡利用了無線電來成像，這也是迄今第一個能夠觀測到事件視界的黑洞。
圖片版權(TOP, OPTICAL, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; LOWER LEFT, RADIO, NRAO / VERY LARGE ARRAY (VLA); LOWER RIGHT, X-RAY, NASA / CHANDRA X-RAY TELESCOPE)
儘管在黑洞的第一張照片公布之前，我們已經對黑洞有不少了解，然而這張照片足以改變局面。在這次驚人的發現之前，我們對黑洞有很多疑問，而現在很多都成功得以解決。
2019年4月10日，事件視界望遠鏡組織公布了第一張拍攝成功的黑洞事件視界的照片。正在討論的黑洞屬於M87星系，也正是我們局部超星系團中體積最大、質量也最大的星系。據測量，視界的角直徑為42微弧秒，這意味著需要23千萬億個同等大小的黑洞才能填滿整個天空。
圖解：在這張深邃的照片中，巨大的橢圓形星系M87附近圍繞著很大的光環。光環的右上方有過量光線，以及星系中行星狀星雲的運動，這些是最近一個中等大小的星系與M87相撞留下的最後痕跡。圖片版權CHRIS MIHOS (CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY)/ESO)
M87星雲中的黑洞與太陽相距5500萬光年，其預計質量是太陽的65億倍。實際上，它甚至比冥王星環繞太陽的軌道直徑還大。如果黑洞不存在，光需要一天的時間跨越事件視界的直徑。我們能夠得到第一張黑洞照片主要是因為
事件視界望遠鏡的解析度足夠發現黑洞黑洞在強烈地發射無線電波前景輻射的幅度很低，信號汙染較少得到了這張照片，也為我們已經了解或正在了解的10個問題帶來了新的認識。
1.這確實是一張黑洞的照片，與廣義相對論的預測一致。
如果你曾經看過這樣的文章：「理論物理學家大膽宣稱，黑洞不存在」，或者「新重力理論超越愛因斯坦」，你可能已經零散知道，物理學家一直試圖找到能夠替代主流理論的新理論框架。儘管廣義相對論經受住了我們對它進行的所有考驗，始終有人試著對它進行擴展、修正甚至替代。不過，這張照片的出現讓很多企圖化為泡影。我們知道，這是一個黑洞而不是一個蟲洞（至少不是主流理論中的蟲洞）；也知道，事件視界的確存在，而不只是一個奇點（至少不只是很多理論當中的孤立奇點）；還知道，事件視界並非一個由物質組成的可以發出紅外線的堅硬表面。這些有限的觀測結果都與廣義相對論相符合。
但是，觀測結果並不能證明暗物質是否存在、也並未涉及修正的重力理論、量子重力，或者事件視界背後的物質。這些都超出了事件視界望遠鏡的觀測範圍。
圖解：位於銀河中心的超大質量黑洞周圍已經發現了大量恆星，而M87星雲使得觀測周圍恆星的吸收特性成為可能。這也讓人們可以通過引力推測中央黑洞的質量，也可以通過繞黑洞軌道的氣體推測其質量。但是一般來說，通過氣體測量的結果比起引力測量結果要偏低。這也就導致了事件視界望遠鏡的觀測結果與引力推測數據更吻合。圖片版權(S. SAKAI / A. GHEZ / W.M. KECK OBSERVATORY / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)
2.與觀測氣體相比，恆星引力動力學對黑洞質量的預測更準確。
在事件視界望遠鏡獲得第一張黑洞照片之前，我們可以通過幾種方法來測量黑洞質量。例如，我們可以測量銀河系中環繞黑洞運行的恆星軌道來推測黑洞的引力動力學質量；也可以測量M87的中心黑洞周圍的氣體運動產生的吸收譜。這些讓我們得到引力質量，以及環繞中央黑洞運動的氣體的輻射量。
對於銀河系和M87星系的黑洞來說，這兩種方法得到的結論都有較大的差別。引力動力學測算的結果通常比環繞氣體測算高50-90%。例如，環繞氣體測算的M87中央黑洞的質量為太陽的35億倍，而引力動力學測算為62-66億倍。事件視界望遠鏡的測量結果是65億倍，與引力動力學測算的結果相符。由於環繞氣體測算黑洞的質量過低，我們將藉此機會重新檢驗這種方法。
圖解：大約在5500萬光年之外的M87星系中存在巨大的相對論性噴流以及微波和X射線能探測到的宇宙射線。這張光學照片展示了一個噴流，事件視界望遠鏡的觀測告訴我們，黑洞的旋轉軸背離地球，傾斜角大約為17°。圖片版權（ESO）
3.這是一個旋轉黑洞，其旋轉軸恰好背離地球。
通過對事件視界的觀察、黑洞周圍的微波輻射、大規模噴流和已知的來自其他天文臺對擴展微波輻射等一系列成果的綜合分析，事件視界望遠鏡組織得出結論，該黑洞屬於Kerr型（旋轉）而不是Schwarzschild（非旋轉）型。
我們無法通過一個簡單原理來解釋這個性質。但是，我們可以建立一個繁雜的黑洞模型，來描述黑洞本身和和它的外部物質。通過這個模型的演化，我們可以看到會發生什麼。當你看到可能出現的各種信號時，你就能夠收集到與你結論一致的證據。黑洞一定處於旋轉狀態，其旋轉軸背離地球，大約有17°的偏角。
圖解：這張概念圖描述的是一個超大黑洞周圍的噴流和吸積環。長久以來我們對黑洞運轉的認識都來自這樣的圖像，而事件視界望遠鏡提供的照片證實了這張圖的正確性。圖片版權(NASA/JPL-CALTECH)
4.我們可以確認黑洞周圍存在物質，吸積環和噴流就處在黑洞附近。
對M87星雲的光學觀測已經告訴我們噴流的存在，以及它還在向外輻射微波和X射線。如果想要知道輻射的類型，只有恆星和光子是不夠的，我們需要具體物質，特別是電子。只有通過磁場加速電子，我們才能得到特徵微波輻射，如同步輻射。
這需要大量的模擬實驗。調整所有模型中的各種參數後，我們可以看出觀察結果需要用吸積環來解釋微波輻射，同時還必須引入非微波輻射，比如X射線輻射。
除了事件視界望遠鏡為此進行了重要觀測外，而且還有其他天文臺，如錢德拉X射線望遠鏡。M87的中心發射光譜所示，吸積流一定攜帶巨大熱量，這與磁場中相對論性的加速電子一致。
圖解：上圖描繪了黑洞附近光子的路徑。事件視界的引力彎曲和對光的捕獲是事件視界望遠鏡拍攝到陰影的原因。沒有被拍攝的光子形成了一個特殊的球體，這幫助了我們在這個新的測試體系中確認廣義相對論的有效性。圖片版權(NICOLLE R. FULLER/NSF)
5.可見的圓環展示了中央黑洞周圍引力強度和引力透鏡效應，廣義相對論再一次通過了考驗。
這個圓形的射電環並不與事件視界對應，也不和環繞軌道上的粒子環對應。同時它也不是黑洞最內層穩定圓軌道。相反得失，這個環是由一個引力透鏡透過的光子組成的球體產生的，這些光子在進入我們的眼睛之前會受到黑洞的引力彎曲。
根據事件視界望遠鏡組織發布的六頁報告中第一頁的內容，假設引力不那麼強的話，你會看到光受到引力彎曲形成一個比你想像中更大的球體。
「我們發現每弧秒有50%以上的輻射通量來自事件視界附近，並且發射量還受到了內部區域超過10倍的壓制，這也給出了預測黑洞陰影的直接證據。」
廣義相對論的預測與我們得到的結論一致，這是愛因斯坦最偉大理論中另一項驚人的成就。
圖解：上圖中四個不同時間的不同圖像清楚地表明，在一天內，圖像變化不大，但在三四天之後變化很大。考慮到M87星雲變化的時間尺度，這與我們對黑洞的演化過程的認識是極其一致的。圖片版權(EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION)
6.黑洞是動態物體，它們發出的輻射會隨時間變化
重新構建後，黑洞質量約為65億個太陽質量，而光穿過黑洞的事件視界大約需要一天。這就是大致的時間尺度，在這個時間尺度上，我們可以通過事件視界望遠鏡觀測到的輻射特性的變化和波動。
儘管觀測時間只有幾天，我們也確定了輻射的結構會隨著時間變化，與預測一致。2017年的數據包括了四個晚上的觀測結果。就算只看一眼這四張圖片，你也能清楚地看到前兩個日期有相似的特徵，後兩個日期也有相似的特徵，但是在前者和後者之間有明顯的變化，而且是可變的。換句話說，M87黑洞周圍輻射的特徵確實在隨著時間的推移而改變。
圖解：我們星系中的超大質量黑洞見證了很多驚人明亮的耀斑，但沒有一個像XJ1500+0134那樣持久明亮。基於這些存在，錢德拉X射線望遠鏡在19年的時間內獲得了大量的數據儲存在天文中心。事件視界望遠鏡將逐漸帶領我們探索它們的起源。圖片版權(NASA/CXC/STANFORD/I. ZHURAVLEVA ET AL.)
7.未來，事件視界望遠鏡將探究出黑洞耀斑的起源
我們已經在x射線和射電中看到，銀河系中心的黑洞發生過短暫的輻射爆發。儘管首先發布的圖像是M87星系中的超級黑洞，但我們星系中的這顆黑洞——人馬座A*——也將變得和它一樣大，不過會以更快的時間尺度發生變化。
人馬座A*的質量只有400萬個太陽質量，是M87中央黑洞的0.06%。這意味著，人馬座A*不是在一天的時間尺度上變化，而是一分鐘。它的特徵迅速變化，當耀斑發生時，它應該能揭示這些耀斑的性質。
耀斑與我們能看到的射電特徵的溫度和亮度有什麼關係?是否發生了類似於太陽日冕物質拋射的磁場湮滅事件?是不是有什麼東西從吸積流中消失了?人馬座A*每天都有耀斑，所以我們能夠追蹤到與這些問題相關的信號。如果我們的模擬和觀察結果和M87一樣好，我們就能確定是什麼導致了這些現象，也有可能知道是什麼掉進黑洞創造了這些。
圖解：這幅圖展示了黑洞的周圍環境，可以看到一個由過熱等離子體和相對論性噴流組成的吸積盤。我們還無法確定黑洞是否有獨立於其外部物質的磁場。圖片版權(NICOLLE R. FULLER/NSF)
8.偏振數據結果出具，將會證明黑洞是否固有磁場。
當我們都在欣賞黑洞事件視界的第一張圖片時，重要的是要意識到全新的圖景即將到來，並展示來自黑洞的光的偏振。由於光的電磁性質，它與磁場的相互作用將在其上留下特定的偏振特徵，讓我們能重建黑洞的磁場，以及磁場如何隨時間變化
我們知道事件視界外的物質，因為它是基於移動的帶電粒子(如電子)，會產生它自己的磁場。模型表明，這些磁場線要麼留在吸積流中，要麼穿過事件視界，最終被黑洞錨定。這些磁場、黑洞的吸積和變大，以及它們所發射的噴流之間存在著某種聯繫。沒有磁場，吸積流中的物質不可能因失去角動量落入視界。
通過偏振成像，偏振數據將告訴我們黑洞的一些真相。我們已經得到了數據，只是還需要進行全面的分析。
圖解：在星系的中央存在著恆星、氣體、塵埃和(我們現在知道的)黑洞，所有這些都圍繞著星系中心的超大質量物體的軌道運行，並與之相互作用。這寫超大質量物體不僅對彎曲空間有反應，它們本身就會使得空間扭曲。這也會導致中央黑洞抖動，而未來對事件視界望遠鏡進行升級後，我們也許可以看到這種抖動。圖片版權(ESO/MPE/MARC SCHARTMANN)
9.對視界望遠鏡的升級將幫助我們發現星系中心附近存在的額外黑洞。
當一顆行星圍繞太陽運行時，並不只是因為太陽對行星施加了引力。相反，有一個相等且相反的作用力，讓行星把太陽拉回來。與這個現象相類似，當一個物體繞黑洞運行時，它也會對黑洞本身施加引力。在星系中心附近有許多大質量存在——理論上，許多還未發現的小黑洞也存在——中心黑洞應該處於布朗運動式的抖動。
現在想要觀測這些額外黑洞的困難之處在於，你需要一個參照點來校準你相對於黑洞的位置。這項技術需要觀測你的校準器，然後觀測你的目標，然後重複操作。這要求你首先看向別處，然後很快地回頭觀測你的目標。不幸的是，大氣變化太快，在1到10秒的時間尺度上，你沒有時間去看別處，然後再回頭觀測你的目標。至少當今的技術是做不到的。
但這是一個技術進步非常快的領域。事件視界望遠鏡組織使用的儀器預計將在近期升級，並在本世紀20年代中期達到要求速度。由於儀器設備的升級，這一難題可能在最晚十年後得到解決。
圖解：這是一張錢德拉南天深場700萬秒曝光的地圖。這個區域裡展示了數百個超大質量黑洞，每個都位於一個遠離我們的星系中。哈勃望遠鏡的一個項目古德斯-南場，將以這幅原始圖像為中心進行觀測。升級後的事件視界望遠鏡也許能觀測到數百個黑洞。圖片版權(NASA/CXC/B. LUO ET AL., 2017, APJS, 228, 2)
10.最後，事件視界望遠鏡終將看到數百個黑洞
為了觀測黑洞，你需要解析度更好的望遠鏡陣列（以獲得更高的解析度），至少要好於觀測物體的大小。對於目前的視界望遠鏡，宇宙中只有三個已知的黑洞有足夠大的直徑:人馬座A*，M87的中心，和(射電平靜)星系NGC 1277的中心。
但我們可以通過將望遠鏡發射到軌道上來加強視界望遠鏡的拍攝能力，使其超出地球的局限。理論上這是可行的。事實是，俄羅斯的太空電波望遠鏡現在正在做這樣的事！帶有射電望遠鏡的太空飛行器陣列在環繞地球的軌道上運行，這將讓我們望遠鏡陣列的解析度大大提高。如果我們將基線增加10或100倍，我們的解析度也會增加相同的倍數。同樣的，當我們提高觀測頻率的時候，我們也提高了解析度，就像高頻光的波長可以更多地穿過相同直徑的望遠鏡一樣。
有了這些提升，我們不僅可以發現幾個星系，還可以發現數以百計的黑洞，甚至更多。隨著數據傳輸速率的不斷提高，快速下行鏈路成為可能，因此我們不需要將數據返回到單一位置。黑洞成像的前途可期。
當然我們要認識到，如果沒有全球、國際科學家網絡和設備的共同努力，我們絕對不可能做到這一點。想要了解更多關於這一驚人成就是如何達成的，請關注史密森學會的紀錄片，該紀錄片將於本周五，4月12日首映。
許多人已經在猜測，雖然今年已經太晚了，但這一發現可能會獲得早在2020年頒發的諾貝爾物理學獎。如果確實發生，可能獲獎的候選人包括：
謝普·多爾曼（Shep Doeleman），他是探測和拍攝黑洞項目的先驅，創始人和領導者，
海諾·福爾克（Heino Falcke）寫了一篇開創性的論文，詳細介紹了事件視界望遠鏡使用的甚長基線幹涉測量技術（VLBI）如何對事件視界成像，
羅伊·科爾（Roy Kerr）對於廣義相對論中旋轉黑洞的解決方案是本次模擬中細節處理的基礎，
讓-皮埃爾·盧米內(Jean-Pierre Luminet)在上世紀70年代首次模擬了黑洞的圖像，並提出M87是一個合適的研究對象，
還有艾弗裡·布羅德裡克（Avery Broderick），他在模擬黑洞周圍的吸積流上做出了重要貢獻。
圖解：這張圖顯示了2017年對M87的觀測中使用的所有事件視界望遠鏡和望遠鏡陣列的位置。只有南極望遠鏡無法拍攝到M87的圖像，因為它位於地球的最南端，該位置無法觀測到該星系的中心。（國家射電天文臺）
事件視界望遠鏡是科學高風險、高回報的顯著例子。在2009年的十年回顧中，他們雄心勃勃的宣稱，到20世紀20年代末將會有一張黑洞的圖像。十年後，真的擁有了黑洞圖像。這是一個不可思議的成就。
它依靠先進的計算技術，大量射電望遠鏡設施的建設和集成，以及國際社會的合作。原子鐘，新的計算機，可以連接不同天文臺的連接器，以及許多其他的必要新技術插入到每個空間站。研究人員需要得到觀測許可、資金以及測試時間。除此之外，還需要得到允許同時用不同的望遠鏡進行觀測。
但這一切都發生了，令人驚喜萬分，這一切都得到了回報。我們現在生活在黑洞天文學的時代，事件視界就在那裡，等待著我們去想像和理解。這僅僅是個開始。通過觀察黑洞----連光都無法逃逸的區域，我們獲得了前所未有的收穫。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. medium-Ethan Siegel
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