天文学家为了得到黑洞的真实图像已经努力了几十年

艺术家描绘的黑洞及黑洞周边景象/NRAO，AUI，NSF

我们在下周可能会得到关于黑洞的第一张真实照片，事件视界望远镜（EHT）将在4月10日上午的新闻发布会上展示预期中的超大质量黑洞图像。这将是人类第一次真切地看到这一神秘天体，全球科学家以及天文爱好者都对此非常期待并兴奋异常。

但是黑洞的图像好像已经流传很多年了，对吧？

各种杂志、报刊经常在天文学科普及报道中配上所谓黑洞图片，你可能已经对黑洞有了一个心目中的形象：黑色的球体、多彩的气体螺旋环绕着它……

难道黑洞不是这个样子的吗？呃……它只是有可能是这样的。

所有这些图片都是基于物理学理论的艺术表达。所以插图只是可能看起来很像，然而黑洞到底长什么样，天文学家实际上从来没有作出任何确定，在没有真正得到观测图像前，你就是在插图中描绘出一头大象，他们也不会表示反对。

不过我们很快就会知道真相，尽管它看起来可能不像我们期望的那样。

这是由两个主要因素造成的：首先，黑洞距离我们太远，以至于EHT获得的照片非常有可能比大多数艺术家表达出来的更加模糊。此外，爱因斯坦的广义相对论告诉我们，时空在黑洞附近将产生奇异的扭曲，而关于这一点，艺术家通常是无法理解的。

还有另一个原因，描绘黑洞的插图本来就允许一定程度的自由发挥，因为很明显：你看不到真实的黑洞。根据定义，黑洞是没有光能逃逸出来的空间区域，没有光意味着无图无真相！而一个安静的、没有吸入气体或其他物质的黑洞，确实是不可见的。

对于那些将巨量的物质当作零食在吃的黑洞，即所谓的活跃黑洞，想要看到它也不是一件简单的事情。厚重的尘埃包裹在这些活跃的黑洞周围，遮盖了它们的外观，虽然有些黑洞以喷流的方式发射出长达数千光年的巨量物质，但它们的核心被吸积盘深深地隐藏，这种迄今为止仅发现了少数的最炫酷神秘的天体被称为类星体。

发射出相对论性喷流的活跃黑洞以及周围的尘埃云。NASA / SOFIA / Lynette Cook

许多太空插画艺术家为了解决这些难题，同时还能让观众体验到某种审美感受，选择了一种理想化的黑洞图像，你可以将其视为黑洞样板，它包含一些关键组成部分：

首先是黑洞本身，即黑洞图片中心的球体或空洞，实际上它是一种极其缺乏定义的对象。这个由翘曲的炽热气体包围的边界，即黑洞的事件视界内，任何物质与信息都无法逃脱，这条边缘所划定的黑暗气泡就是奇点。

此外有尘埃和气体云组成的吸积盘。当然并非所有黑洞都有这个，但如果我们想描绘出一个科学且真实的图像，必须有一些东西来对比并衬托出黑洞。

吸积盘的形成方式与土星环的形成方式相同：黑洞引力引入的物质开始绕轨道运行，最终变平为一个很薄的盘面。物质以吸积盘的形式流向黑洞是很常见的，虽然我们常说黑洞吞噬周围的一切，但实际上所有物质先被转化为炽热气体，环绕黑洞旋转，随着时间的推移这些气体物质将越过事件视界并一去不返，产生图像中间的黑色“阴影”。

你可能还会看到黑洞发射出的两条巨大光束，它垂直于吸积盘，被称为相对论性喷流，这是由黑洞两极喷出的过热等离子体产生的现象。这种喷流是宇宙中已知最强大的天文现象之一。它们以接近光速被射出，并从黑洞延伸出数千光年。只有最大及最活跃的黑洞才会产生这样的喷流，在某些情况下它们会非常壮观，比如在某些类星体或星系中心的超大质量黑洞产生的喷流，可能比整个星系更明亮。

所以最终艺术家笔下的黑洞插图形成一种样板，标准配方通常是：黑色球体、发光的吸积盘，也许还有两条喷流。

但这不能让黑洞更真实地被描绘出来并展示在报刊杂志上，为了更科学的展示现实的黑洞，它将被描绘的更加怪异。

好莱坞通过电影魔术为我们描绘出一个更科学的黑洞图像

电影《星际穿越》中的黑洞“卡冈都亚”看起来与那些优雅的科普文章配图中的黑洞图像截然不同。这张照片是在理论物理学家基普·索恩（Kip Thorne）的帮助下完成的，它能更好地描述一个位于黑洞附近的人所看到的黑洞外观，虽然它也不完美。

“卡冈都亚”展现出与众不同的特点是因为在图像中出现了两个指环状光环，而不仅是一个光环。这是由于黑洞附近极其强大的引力造成的，强大的引力使光线发生弯曲，实际上它只是一个吸积盘，由引力透镜扭曲成两个。来自远方的背景吸积盘发出的光被扭曲并越过黑洞，在黑洞正面的上下方形成两个光环。在这部电影中，图像随观看到黑洞的角度而变化，视角越高于吸积盘平面光环越小，引力透镜的效果越弱。

《星际穿越》中的黑洞还缺少一个重要考量，实际上导演诺兰也知道这一点，但为了做出更易于理解的表现而不得选择放弃这个表达。电影中显示的黑洞被物质盘包围，并且物质盘在高速围绕黑洞旋转，在这种情况下，因为气体和尘埃运动得如此之快，以至于其外观会被多普勒效应所改变，即引力红移现象。因此从左到右旋转的吸积盘在左侧看起来会更亮，而在另一侧则更暗和更红。电影中的“卡冈都亚”两侧看起来同样明亮，这是错误的。

1978年卢米涅手工绘制的黑洞插图

1978年，一位名叫让-皮埃尔·卢米涅（Jean-Pierre Luminet）的天体物理学家绘制出一幅非常准确的黑洞及吸积盘的插图，该图案基于他借助早期的打卡式IBM计算机进行的计算。然后他参考结果数据，用笔和墨水将模拟的黑洞手工绘制到照相底片纸上，然后经过反转，得到了上面的图像。

比电影《星际穿越》中看到的黑洞更真实的渲染图

根据多普勒效应，卢米涅绘制的黑洞左侧是明亮的，右侧是暗淡的，背后的吸积盘向上弯曲，底部几乎完全看不见，被前面明亮的圆盘遮挡。这张图片与索恩和他的同事在《星际穿越》上演后，为了更准确地描述“卡冈都亚”的样子而发布的图片非常相似。

我们即将从EHT获得的实际黑洞照片上看到的黑洞，看起来将不会像上面任何图片一样。一方面是因为实际照片的分辨率将会更糟糕，另一方面是因为他们将发布两个不同类型的黑洞照片：银河系中心的人马座A *和椭圆星系M87中心的超大质量黑洞。这两个黑洞周围的吸积盘大小、形状、等离子体的温度与旋转速度、黑洞本身是否旋转、视角以及更多因素可能使得它们看起来完全不同于我们所期望的那样。

谁知道呢，也许他们会发现一些完全出乎意料的事情。毕竟，在我们银河系中心可能潜伏着一头大象。

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观察者：@酆都御史| 微信公众号：大好山水中人 | 头条号：心系宇宙天地宽