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我們從未見過黑洞視界的照片。基於已知，我們還有對照片有很多期望。
幾百年來，物理學家們一直都在假設宇宙中應該有黑洞存在。如果足夠多的物質聚集到足夠小的空間中，引力就會強大到宇宙中沒有任何粒子，反粒子，甚至連光都無法逃脫。它們是根據牛頓和愛因斯坦的引力理論預測出的，天體物理學家經過觀察選中了許多物體，它們被認為是潛在的黑洞。
但我們以前從未見過視界:這是黑洞特有的特徵，是任何東西都無法逃脫的黑暗區域。2019年4月10日，視界望遠鏡合作項目將發布有史以來第一張視界圖像。在這一重大發現前夕，我們的所知如下。
銀河系中心的黑洞，以及白色所示視界的實際尺寸。黑暗的視覺範圍是視界本身大小的250-300%。圖源：UTE KRAUS, KRAUS物理教育集團, 希爾德斯海姆大學; 背景: AXEL MELLINGER
黑洞是我們宇宙中由於速度極限的存在而不可避免地結果，至少理論上是這樣。愛因斯坦的廣義相對論，不僅將時空的結構與宇宙中存在的物質和能量聯繫起來，也包含了物質和能量如何在時空中運動的內在關係。你在空間中運動的越快，時間的流動就越慢，反之亦然。
但空間中的運動與一個常數有關：光速。在廣義相對論中，預測視界的物理尺寸，也就是任何東西都無法逃脫區域的大小，是由黑洞的質量和光速決定的。如果光速更快或更慢，視界的預測大小就會分別減小或增大。如果光的速度無窮大，那根本就不會存在視界。
LIGO和Virgo發現了新的黑洞群體，它們的質量比之前用X射線研究發現黑洞的質量（紫色）要大得多。圖片展示了通過LIGO/Virgo探測到的全部十個確定的黑洞合併（藍色），以及觀測到的中子星間的合併（橙色）。LIGO/Virgo，隨著靈敏度的提升，從這個4月開始，應該每周都能檢測到多個合併。圖源：LIGO/VIRGO/西北大學/ FRANK ELAVSKY。
【LIGO指Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 即雷射幹涉引力波觀測臺。Virgo是一臺由6個國家的20個實驗室共同設計、建造和操作的引力波幹涉儀。】
從天體物理學的角度來看，黑洞的形成非常容易。單在我們的銀河系中，就應該有數以億計的黑洞。目前，我們認為黑洞的形成機制有三種，但可能有更多。
1. 一顆大質量恆星的死亡，它的核心比我們的太陽重得多，富含重元素，在自己的引力下坍縮。當向外的壓力不足以抵消向內的重力時，內核會發生爆縮。由此產生的超新星爆炸會在其中心產生黑洞。
哈勃望遠鏡拍攝的可視/近紅外照片顯示一顆大質量恆星，大約是太陽質量的25倍，幾乎在眨眼間就消失了，但並沒有超新星產生。直接坍縮是唯一合理的解釋。圖源：美國宇航局/歐洲航天局/C. KOCHANEK (俄亥俄州立大學)
2.大量物質的直接坍塌，這些物質可能來自恆星也可能來自氣體雲。如果足夠多的物質同時存在於空間的同一位置上，就可以直接產生一個黑洞，而不需要超新星或類似的災變來觸發它的產生。
3. 兩個中子恆星的碰撞，這是除黑洞之外密度最大，質量最大的物體。如果通過吸積或者（更常見的）合併在其中一顆中子星上增加足夠的重量，就會產生黑洞。
兩顆正在合併中子星的想像圖。圖中的時空漣漪代表碰撞釋放出的引力波，而這些狹窄的光束代表引力波釋放幾秒後伽馬射線噴流（也就是天文學家探測到的伽馬射線暴）。2017年觀測到中子星合併的結果就是黑洞形成。圖源：美國國家科學基金會/ LIGO / 索諾馬州立大學/ A. SIMONNET
宇宙中已經形成的恆星中，有0.1%多一點最終會以這種形式變成黑洞。其中一些黑洞的質量只有太陽的幾倍;其他的可以是它的數百倍甚至數千倍
但質量更大的恆星會和那些超大質量物體一樣，當它們經過像星團和星系這樣質量的引力集合時：它們會通過質量層化的天文學過程，被吸入引力中心。當多個物體聚集在一個引力勢阱中時，較輕的物體往往會獲得更多的動量並可能被彈射出去，而較大的物體則會失去角動量並聚集在中心。在那裡，它們可以吸積物質，合併，增長，最終成為我們如今在星系中心發現的超大質量怪獸。
銀河系中心的超大質量黑洞，人馬座A*，當物質被吞噬時，就會發出明亮的X射線。在其他波長的光線中，從紅外線到無線電，我們可以看到星系最內部的單個恆星。圖源：X射線: 美國宇航局/麻薩諸塞大學/D.WANG ET AL., 紅外線: 美國宇航局/太空望遠鏡科學研究所。
此外，黑洞並非孤立存在，它存在於空間本身的混亂環境中，其充滿了各種類型的物質。當物質接近黑洞時，會受到潮汐力的作用。任何物體靠近黑洞的部分都會受到比遠離黑洞的部分更大的引力，而任意一側凸起的部分都會感受到向物體中心的擠壓。
總而言之，這會產生朝一個方向的一組拉伸力和其垂直方向上的一組壓縮力，導致物體變得像義大利麵條一樣。這個物體將被撕裂成組成它的粒子。由於大量的物理特性和力學在起作用，這將導致物質聚集在黑洞周圍形成盤狀:吸積盤。
圖示是一個活躍的黑洞，它吸積物質，並加速其中一部分形成向外的兩個垂直噴流，這張圖片形象地描繪了類星體如何工作。落入黑洞的物質，無論其種類如何，都將導致黑洞的質量和尺寸的額外增長。儘管存在各種各樣的誤解，但是黑洞並不是把物質吸到自己本身的視界以內，而是物質在接近視界一定程度的時候，黑洞的視界會擴大，就把物質給包含進去了。圖源：MARK A. GARLICK
形成吸積盤的粒子是帶點的，它們圍繞黑洞周圍的軌道運動。當帶點粒子運動是，它們會產生電磁場，而電磁場反過來會使帶電粒子加速。這會導致一系列可觀測現象，包括：
發射的光子頻率遍布整個電磁波譜，特別是無線電頻率，
當物質落入黑洞時，在產生的較高能量中(例如在X射線中)會出現耀斑。
物質與反物質被加速形成與吸積盤垂直的噴射流。
所有這些現象都在不同質量和定向的黑洞上被觀測到，這進一步證實了它們的存在。
在銀河系中心的超大質量黑洞附近探測到了大量恆星。除了我們已經發現的恆星、氣體和塵埃意外，我們預計在距離人馬座A*只有幾光年的距離內就會有超過10,000個黑洞，但直到2018年早些時候，要探測它們都十分困難。確認中心黑洞是一項只有視界望遠鏡才能完成的任務，它還可能探測到黑洞隨時間的運動。圖源：S. SAKAI / A. GHEZ / W·M·凱克天文臺 / 加州大學洛杉磯分校銀河中心組
此外，我們還觀察了候選黑洞周圍個別恆星以及恆星殘骸的運動，它們似乎是圍繞著大質量物體運動，這種物體除了黑洞以外沒有別的解釋。例如，在銀河系中心，我們觀察了許多圍繞著被稱為人馬座A*的物體運行的恆星，據推測，它的質量相當於400萬個太陽，並發射耀斑和無線電波，還顯示出正電子(反物質的一種形式)被垂直噴射到銀道面上的特徵。
其他的黑洞也有許多相同的特徵，例如M87星系中心的超大質量黑洞，據估計它的質量相當於66億個太陽。
三張圖片展示了M87星系中心，地球上所見的第二大黑洞。儘管它的質量相當於66億個太陽，它離我們的距離是人馬座A*的兩千倍。視界望遠鏡不一定可以確認到它，但如果宇宙足夠仁慈的話，我們不僅可以得到它的圖象，還可以得知X-射線發射能否為我們提供對黑洞質量的準確預測。圖源：上方圖片，可視圖象，哈勃空間望遠鏡/美國宇航局/Wikisky;下方左邊圖片，無線電圖像，美國國家射電天文臺/超大射電望遠鏡陣列(VLA)；下方右邊圖片，X射線圖象，美國宇航局/錢德拉X射線望遠鏡。
最後,我們已經看到許多其他觀測特徵，例如直接探測到相互盤旋和合併的黑洞產生的引力波，直接坍縮事件和中子星合併導致黑洞的產生，以及被認為由質量和定向不同的黑洞引起的類星體、亮星和微類星體的亮度變化。
有了視界望遠鏡的重大發現，我們有充分的理由相信黑洞的存在，它們符合廣義相對論，並被物質包圍，這些物質加速並釋放輻射，我們應該能夠檢測到。
活躍星系核的想像圖。吸積盤中心的超大質量黑洞向太空噴射出狹窄的高能量物質噴流，噴流與吸積盤垂直。一顆四十光年外的耀變體發射出很多最高能量宇宙射線和中微子。只有黑洞外部的物質能逃離黑洞；視界內部的物質則無法逃脫。圖源：德國電子同步加速器研究所, 科學交流實驗室。
視界望遠鏡的最大進步就是觀測到視界本身。在那個區域內，不該觀測到任何物質以及輻射。這個望遠鏡應該觀測到黑洞固有的一些微妙效應，包括最內部的圓形軌道大小應該是視界的三倍，以及由於被加速物質的存在，視界周圍應該會發出輻射。
黑洞視界的第一張照片應該可以回答很多問題，你可以看看我們可能會從中學到什麼。但最大的進步在於：它會以一種全新的方式來驗證廣義相對論的預測。如果我們對引力的理解需要在接近黑洞時進行修正，這次的觀測會為我們指明方向。
到目前為止，2018年初，兩種可能成功地匹配視界望遠鏡數據的模型。兩者都顯示了一個偏離中心且不對稱的視界，視界比史瓦西半徑更大，與愛因斯坦廣義相對論中的預測一致。全圖尚未向公眾公布，但預計將於2019年4月10日發布。圖源：R.-S. LU 等人，天體物理學雜誌859卷。
數百年來，人類一直期待著黑洞的存在。在我們的一生中，我們收集了一整套證據，不僅證明了它們的存在，而且證明了它們預期的理論性質與我們所觀察到的驚人地一致。但也許這當中最重要的預測，也就是關於視界的存在和性質的預測，則並沒有直接被證實過。
在全世界數以百計望遠鏡的實時觀測下，基於實際數據，科學家們已經完成了地球角度觀察到最大黑洞的重構圖像：銀河系中心400萬倍太陽質量的怪獸。我們在4月10日所見要麼會進一步證實廣義相對論，要麼會顛覆我們對引力的認知。全世界都滿懷期待。
FY:超凡泰迪熊
作者：Ethan Siegel
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