每年《科學》雜誌都會評選年度十大科學突破，2019年桂冠的是「黑洞照片」。在黑洞照片公布之前，黑洞一直都在我們的想像中，因為我們無法真正觀測到黑洞。為什麼科學家會肯定黑洞的存在呢？到底有哪些證據呢？
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院上海天文臺左文文演講實錄：
2019年4月10日，科研人員發布了首張人類捕獲的黑洞照片。很多人看到這張照片都覺得它像一個「甜甜圈」，那麼這個「甜甜圈」真實的物理尺寸有多大呢？
有1000億千米。但是因為照片中的這個黑洞距離我們有5500萬光年，因此看起來尺寸非常小，只有41微角秒。
這個大小相當於把量角器上的一度分成一億份，那一億分之一度就是這個「甜甜圈」的大小，可見這個黑洞非常之小。
為了拍到黑洞，全球200多位科學家組成了一個團隊，將遍布全球的8套珍貴的毫米波望遠鏡陣列，組成了一個等效口徑和地球直徑差不多大的望遠鏡，科學家收集到黑洞的信息後，又花了近兩年的時間，才得到了這張照片。
其實在2019年4月10日發布之前，我已經看過這張照片了。但是得知大家都看到這張照片後，我十分興奮，比我當初看到它時還要欣喜。這就好像你有一個朋友，大家都非常認可你的朋友一樣。
經常有人問我這樣的問題：黑洞是什麼？黑洞真的存在嗎？我們為什麼要研究黑洞？這就是今天我想跟大家分享的三個話題。
黑洞是什麼
說到黑洞，不得不提一位著名科學家——愛因斯坦。請不要只相信課本上愛因斯坦老年時候的照片，他年輕的時候相當英俊瀟灑，絕不輸任何一位好萊塢明星，但更帥氣的還是他充滿智慧的大腦。
104年前，他提出了廣義相對論，核心是愛因斯坦方程。他革新了原來的絕對時空觀。曾經一次採訪中，愛因斯坦說，我這個人就是比較堅持，別人都認為時間和空間是獨立的，而我認為它們可能是一起的。
如果用一句話來描述他的理論，就是物質的質量決定了時空如何彎曲，而時空彎曲決定物質而如何運動。用一個彈簧床去模擬時空的話，放一個球，球有質量，彈簧床就彎曲了，而彎曲了的彈簧床又會影響周邊物體的運動。
舉個例子，現在大家都坐在舒服的椅子上，椅面其實已經凹陷，如果你在椅面上放一個小球，會發現小球會自然地往椅面凹陷處滑動。這其實就是，你決定了椅面怎麼彎曲，而椅面的彎曲又決定了椅面上的物體如何運動。
就在同一年，還在一站戰場上服役的德國物理學家史瓦西就給出了愛因斯坦方程的首個精確解，反映了什麼呢？當一個天體坍縮至一個臨界半徑時，物質將繼續坍縮至中心奇點。這個臨界半徑就是事件視界半徑，在視界內，其引力強大到連光都無法逃脫。
如果連光都沒法逃脫，那麼就是說沒法看見它。1969年，約翰惠勒給它取名黑洞。惠勒就是《星際穿越》電影的科學顧問，黑洞大牛。
可惜的是，史瓦西英年早逝，沒有看到他提出的最簡單黑洞模型被稱作史瓦西模型。
如果我們進一步研究史瓦西的解，就會發現這樣一個性質，你、我、我們所處的房子，其實都有自己的臨界半徑。
也就是說，如果把自己或者這棟樓壓縮到各自的臨界半徑的時候，就可能產生一個黑洞了。而當物體被壓縮到不受控制持續往中心塌縮的時候，一個體積無限小的奇點也就出現了。
我們把黑洞的臨界半徑叫作事件視界。給黑洞拍照的望遠鏡其實就叫事件視界望遠鏡。既然我們想拍一拍事件視界附近的情況，這說明我們已經認同了，目前人類無法知道黑洞裡面的情況。
那麼這個視界面的大小和我們有什麼關係呢？如果把我自己壓縮成一個黑洞，那得壓縮成多小呢？視界面的大小和質量有很大的關係：質量越大，黑洞的視界面半徑越大，反之，質量越小，視界面半徑就越小。
如果把太陽壓縮成一個黑洞，它的視界面半徑是3000米左右；把地球壓縮成一個黑洞，它的視界面半徑只有9毫米；把我壓縮成一個黑洞，估計視界面半徑比原子核還要小了。
黑洞真的存在嗎
宇宙中究竟有沒有黑洞呢？有的，我就是觀測黑洞的。
根據質量，宇宙中的黑洞分為三類：恆星級質量黑洞，超大質量黑洞，還有介於兩者之間的中等質量黑洞。
目前，恆星級質量黑洞和超大質量黑洞我們都找到了確切的案例。唯獨介於兩者之間的中等質量黑洞，我們目前還沒有找到確切的候選體，這也是待解的難題之一。
其實，幾乎已知的每一個大質量星系的中心都存在著一個超大質量黑洞。那我們是怎麼知道它們的呢？首張黑洞照片算是比較直接的證據，實際上，讓我們對黑洞了解更多的，反而是它的間接證據。
就像我們看不到風，但是我們可以通過風吹動衣服或旗幟來判斷風的存在。對於黑洞，也是類似的觀測原理。
大家現在看到的動圖，其實是我們對銀河系中心的18顆恆星進行長達16年的觀測後得到的一個結果。夏季，如果大家去比較偏僻而寬闊的地方，或者光汙染比較弱的地方，抬頭應該會看到一條銀河光帶。
在這條光帶最寬的區域裡，有一個茶壺狀的星座，這個星座中就是銀河系的中心。團組進行長達20多年觀測研究的就是銀心區域附近的恆星。
這些恆星不僅在轉動，而且好像圍著一個看不見的中心在轉動。我用五角星標識出了這個地方。那麼這個中心區有多小呢？比太陽系還要小，只有地球到太陽之間距離的130倍，但是這麼小的區域居然包含了質量為太陽410萬倍的天體。
這麼小的區域卻有這麼大的質量，我們不知道它是什麼天體，它只可能是黑洞的候選體，是銀河系自己的黑洞。這些是我們通過恆星和氣體的運動判斷出來的。
第二類間接證據是就是黑洞「吃」東西會發光。所以可以通過觀測黑洞發出來的光，去判斷黑洞的存在。
我們都知道，黑洞是具有很強引力的天體，周圍的氣體會往黑洞的方向下落。大家回想一下，平時洗臉池中的水往下流的時候是不是一邊轉一邊流？
黑洞「吃」東西也是這樣，被它「吃」掉的氣體也是一邊轉一邊往下落，最後在黑洞的周圍形成一個盤，我們管它叫吸積盤。
大家可以想一想水力發電。水從高處落下，水所具有的強引力勢能會轉化成機械能，推動發動機工作，進而發電。
那麼當物質和氣體從高處落下，掉到黑洞的時候，也一定會釋放出很強的引力勢能。這些引力勢能也會轉化為光和熱，而且轉化效率非常高。
有多高呢？我們可以簡單做個對比：煤的燃燒是化學燃燒，太陽發光是核聚變。煤燃燒相當於你在銀行存了10000億元，可以取出3元錢的利息；太陽發光相當於你在銀行存了1000元，可以取出7元的利息。
黑洞對周圍物質的吸積、吞噬所轉化的光和熱，相當於你在銀行存了100元，可以取出少則十幾元，最多40元的利息。
以超大質量黑洞為例，如果把黑洞的吸積盤區域比作一個黃豆，普通星系就相當於一個身高5萬米的巨人，雖說黃豆大小的活躍黑洞比巨人般的星系小千萬倍，但每秒鐘發出的能量要強很多。
這種小尺寸、大能量的性質使我們推斷它可能是黑洞。
第三類證據是什麼呢？現在你們聽到的是一種引力波的聲音。通過對這種引力波信號的研究，我們知道它對應的是兩個恆星級質量黑洞的碰撞和併合，就好像我們看到了兩個黑洞「打架」的現場。
我們可以推測這兩個黑洞有多大，質量比是多少。所以，引力波也間接告訴了我們恆星級質量黑洞的存在。
為什麼要研究黑洞
不論是黑洞的首張照片，黑洞對周圍氣體和恆星的影響，還是黑洞發光以及引力波等，這些直接或間接的證據都告訴了我們，黑洞是存在的。我們為什麼要研究黑洞呢？
我腦海中閃過的第一個理由是好奇心，畢竟很多時候我們是因為好奇而想去做研究。但顯然這個理由並不能說服大家。
我們所處的銀河系裡就有這麼一個超大質量黑洞，我們為什麼不去了解它呢？這個超大質量黑洞和我們人類有什麼關係？它會不會影響到我們的日常生活？
我給大家這樣分析一下，一方面，這個黑洞的質量有410萬倍太陽質量那麼大，它距離我們有2.6萬光年。距離這麼遠，我們受到來自於它的引力微忽其微，所以引力的影響可以忽略了。
但如果我們以銀河系中心為球心，以我們到銀河系中心的距離為半徑畫一個巨大的球，大家知道這個球裡存在的質量有多少嗎？900億倍太陽質量。900億和410萬，差得不是一點點。
所以，決定太陽如何運動的不是黑洞，而是氣體、恆星，還有佔比最大的暗物質。這剛好驗證了一句話——團結就是力量。
另一方面，活躍的黑洞會發光，並且發的光還很強。有意思的是，銀河系中間的黑洞並不活躍，它很寧靜，所以它發出來的光和能量比較弱。又因為我們離它很遠，所以等到這個黑洞到達地球表面的時候，強度就更弱了。
況且，地球自帶兩大保護層，一層是大氣層，一層是磁場，它們保護我們免受高能粒子、高能光子的影響。
綜合這幾點，我們可以得出一個結論：銀河系中心的超大質量黑洞所發出的光，對我們的影響可以忽略不計。
除了銀河系中心的這個超大質量黑洞，理論上，銀河系當中還應該存在上億個恆星級質量黑洞。雖然目前只探測到了20多個，但一想到還有那麼多的恆星級質量黑洞，我們是不是應該關注一下呢？
不管是超大質量黑洞，還是恆星級質量黑洞，對於人類而言，目前已知黑洞候選體帶來的引力影響都可以忽略不計。
但是，既然每一個大質量星系的中心都有一個超大質量黑洞，那麼黑洞和它所處的星系之間有什麼關係呢？
請大家看看這張圖。這是離我們比較近的大星系中心的一個黑洞，星系中有一個名叫核球的部分，而這張圖片就反映了黑洞質量和核球質量的相關性。
我們可以看到，它們兩者呈正相關性，也就是說，黑洞質量越大，它所居住的星系中心的核球質量也會越大。
這是不是說明，黑洞的成長和星系的成長是相關的呢？目前這個問題還是一個未解之謎，所以對黑洞的研究能夠幫助我們認識星系，認識黑洞和星系的關係。
除了對研究星系有很大的幫助，對研究整個宇宙的歷史，黑洞的功勞同樣功不可沒。如果把我比作一個活躍的黑洞，我正在吃東西，正在發光，我發出的光會經過一排一排又一排的觀眾直達最後一個觀眾的眼裡，因為今天這個場地很小，所以光減弱的效應非常弱。
可是如果距離我們幾十億光年之外，光穿越到地球都需要幾十億年的話，那這個黑洞發出的光會非常強，光會經過很多的星際介質直到地球。
望遠鏡最終記錄下的光譜是這樣的，上面有很多的凹陷區域，我們把它們叫作吸收線，吸收線反映了黑洞發出的光在穿越的過程中，星際介質所留下的痕跡。
大家現在看到的是我拍攝到的活躍黑洞的光譜，通過研究黑洞的光和光上留下的痕跡，我們可以研究星際介質的分布有多少，它們是怎麼分布的。所以，研究黑洞有利於研究宇宙的歷史。
雖然超大質量黑洞、恆星級質量黑洞在銀河中對我們的影響非常小，但對於研究黑洞自身、黑洞與星系、黑洞與宇宙來說，黑洞的研究都是非常關鍵的。黑洞還有很多的秘密沒有解決，這都促使我們一定要去研究黑洞。
科學家如何研究黑洞
不知道我上述說的理由能不能說服大家，黑洞研究其實是非常有意義的，有價值的。那我們到底該怎麼研究黑洞呢？
前面提到的直接證據或者間接證據，一方面證實了黑洞的存在，另一方面也是研究黑洞的好素材。下面我給大家講一講，我是如何利用黑洞發出的光來探測黑洞周圍氣體的運動，進而知道黑洞的質量的。
先給大家看一個簡單的模型，這是太陽和地球運轉的示意圖。我們知道地球圍著太陽轉，更準確地說，它們是圍繞著共同的質心在轉動。
如果我知道地球圍繞太陽轉的速度是多少，再知道太陽和地球的距離是多少，我就能算出太陽的質量是多大了。
這張圖是我們對一類活躍黑洞做的簡易模型圖。中間是黑洞，旁邊的區域是氣體下落形成的吸積盤，吸積盤外還有一些氣體雲塊。
通過拍攝黑洞發射的光，我想知道兩個信息：氣體雲塊距離黑洞有多遠？氣體雲塊圍繞黑洞轉的速度是多少？就有點類似通過觀測銀河系中心黑洞附近的恆星運動，從而算出銀河系中心黑洞的質量。
圖左是人類看到的第一個活躍黑洞——3C 273的照片，這是我們在光學波段可以看到的它的樣子。它像一個星點，所以我們把它叫作類星體（類似恆星的星體）。
實際上，它是一個活躍星系的中心，也就是一個黑洞。圖右是這個黑洞的光譜，它包含了很多個頻率的信息，反映了在比較小的頻率波段，光的強度有多強。
而我的工作是什麼呢？我的工作就是從技術上去分析這樣的光譜，從而找出哪些是吸積盤發出的，哪些是氣體雲塊發出的。
就拿這個光譜來說吧，氣體雲塊發出的光是發射線，而吸積盤發出的光是連續的，如果做一個擬合的話，就是圖中連續譜的情況。
通過研究氣體雲塊發出的信號，我就能知道氣體雲塊圍繞黑洞轉的速度，再基於一些經驗關係，從連續譜的信息中，我又能知道氣體雲塊距離黑洞有多遠。有了這兩個數據，我就可以算出黑洞的質量有多大了。
和黑洞當朋友十年多了，我從它的身上學到了很多東西。我覺得黑洞真的是宇宙中最優雅、最單純的天體，為什麼這麼說呢？
因為完整地描述黑洞，只需要三個參量就夠了：質量、電荷（是否帶電，帶正電還是負電，帶多少電）、轉動能力（角動量）。
可是要完整地描述我的大拇指指甲蓋，大家知道需要多少個參數嗎？上億個都不止。因為指甲蓋由分子組成，分子有原子，原子又有原子核和電子，原子核又有質子和中子，質子和中子又有夸克，而要描述夸克又得要多個參數。
三個參數和上億個參數相比，黑洞確實是一個非常單純的天體。
雖然黑洞自身尺寸非常小，一個太陽黑洞的視界半徑才3000米，一個地球黑洞的視界半徑才9毫米，但黑洞所居住的星系比它大多了。一個黑洞相當於一個小黃豆，它所居住的星系相當於一個直徑50000米的大球。
儘管體積相差巨大，但這個小傢伙每秒鐘發出的能量，發出的光卻是那個大傢伙每秒鐘發出的幾千倍，甚至可能還會對那個大傢伙產生一定的影響。
有時候我會想，宇宙是一個很大的領域，我是研究黑洞領域的，而黑洞領域又很寬泛，我是通過觀測光來測黑洞的質量；有的人是基於測好的黑洞質量去研究黑洞和星系的關係；還有的人會研究吸收線的特徵，研究星際介質的情況……每個人研究的領域其實都非常小。
從黑洞，我學到的道理：做個像黑洞那樣優雅、純粹的人；就像黑洞很小，但仍可能對比它大許多的星系產生大影響；我們也很渺小，但我們是歷史長河的一部分，也能激起一點水花 。
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