內行看門道:解讀M87黑洞照片

公布的M87照片

4月10日，國際射電望遠鏡網絡製作了第一張黑洞陰影特寫鏡頭。這項名為「地平線望遠鏡」的活動證實了幾十年來對這些黑暗物體周圍光線表現的預測，並為黑洞天文學的新時代奠定了基礎。

埃默裡大學的天體物理學家和黑洞研究員艾琳·邦寧（Erin Bonning）說：「從0到驚人的規模，令人驚嘆。」

發布照片的消息大約提前一個半星期公布，令人興奮的是照片關於黑洞的樣子完全符合科學家的預期，沒有發現黑洞的意外特徵。照片本身就和廣大藝術家所提前描繪的關於黑洞的假想照片基本一致，只是比較模糊而已。

但是，Bonning說，M87的照片並沒有回答所有關於黑洞的問題。

黑洞怎樣發出巨大能量輻射和噴出物質流？

所有超大質量黑洞附近的物質都會被黑洞吞噬，黑洞通過它的事件視界來吞噬黑洞，然後又馬上以極快的速度將剩餘的物質吐出到太空中，這種現象在天文物理學家稱之為「相對論性的噴氣式飛機」。

處女座A中心的黑洞（M87）以其令人印象深刻的噴氣機，噴射物質和輻射遍布整個太空而聲名遠播。它的相對論噴氣機非常龐大，可以完全逃離周圍的星系。然而這種噴氣發動機的形成原因，一般的解釋是物質再靠近黑洞後被加速到略等於光速，然後由於引力彈射效應，物質被噴發出來，但是這是理論上的解釋，還沒有任何證據能夠證明這種假設是對的。

Bonning說，要弄清楚這個問題，需要講事件視界觀察的黑洞較小的範圍，同噴氣飛機現象聯動起來。

她說，雖然物理學家還沒有得到答案，但很有可能他們很快就會做到 - 特別是一旦合成產生第二個目標的圖像：我們銀河系中心的超大質量黑洞射手座A，沒有像處女座A那樣生產噴氣式飛機。她說，比較兩張圖片可能會提供一些更加明確的證據。

黑洞噴射的「噴氣式飛機」

廣義相對論和量子力學如何結合？

現在物理學界的一個熱門話題便是廣義相對論和量子力學的結合，量子引力。

那是因為量子引力是物理學去不確定的事情。長期以來，物理學界對現象的描述使用了兩種不同理論框架：廣義相對論，它用於描述重力，時空這種宏觀概念，以及量子力學，它用來描述粒子能級這種微小的概念。問題是，這兩套理論還相互矛盾。量子力學無法解釋引力，而相對論無法解釋量子行為。

而物理學家則試圖通過將量子和引力兩者結合在一起，來打破廣義相對論和量子力學的束縛。

藉由M87照片的公布，學界希望能找到一些破除隔閡的線索，但是Bonning對這種主張持懷疑態度。Bonning說，從廣義相對論的角度來看，這一形象並不令人驚訝，因此它沒有提供可打破隔閡的理由。然而學界抱有這樣的希望，並不是憑空的，因為黑洞陰影的邊緣將相對論力量帶入微小的量子尺寸空間。

「我們希望看到量子引力非常接近事件視界，或者在大爆炸之初，因為當所有東西都被擠進一個小空間時，」她說。

但是，在EHT拍攝的照片效果仍然模糊並不能支持她的想法。

霍金輻射正確嗎？

物理學家史蒂芬霍金對早期的最大貢獻是「霍金輻射」的概念，霍金認為，黑洞實際上並不是黑色的，而且隨著時間的推移會發出少量的輻射，而且最後的結局表明，一旦黑洞停止生長，它將開始非常緩慢地從能量損失中收縮。但是，事件視界望遠鏡沒有證實或否認這一理論。

像處女座A那樣的巨型黑洞，與其整體尺寸相比，只向外噴射不多的霍金輻射，雖然我們最先進的EHT現在可以探測到事件視界，但他們幾乎沒有機會清楚拍攝超大質量黑洞表面的超暗光。

霍金輻射最終被弄清楚，可能要找到那些體積較小的黑洞，甚至是黑洞連同它的事件視界可以只有人的巴掌大，因為只有觀察的距離越近，而且能拍到黑洞和輻射的全景，才有可能完全證實霍金的想法。

黑洞的質量如何確定？

首先，物理學家再一次認識到愛因斯坦是正確的。就像「EHT」所看到的那樣，黑洞的事件視界是個接近正圓的圓圈，完全符合愛因斯坦的廣義相對論方程的預測。

照片更直接，實際的意義，在於該圖像使科學家能夠精確測量黑洞的質量，例如照片中的M87，它位於處女座A星系的中心，距離5500萬光年遠。比太陽大65億倍。現在，科學家已經對銀河系中心的超大質量黑洞的質量進行了非常精確的測量，並且還能觀察它巨大的引力如何影響周圍恆星的運動。對於其它星系的觀察，僅管EHT不能準確的監測到恆星如何運動，但是可以通過黑洞質量如何影響恆星運動來粗略的估算，甚至可以通過觀測黑洞的質量如何影響恆星所發出的光線浮動來確定黑洞的質量。M87的質量就是通過這種方式確定的。