我们是怎么看到黑洞的（我们是否真的能够看得见黑洞）
我们是怎么看到黑洞的（我们是否真的能够看得见黑洞）当一个非常大的恒星在生命周期终了时爆炸，由于此时再也没有足够的燃料继续对抗重力，它的最内部会因自己的重力而崩解（话说回来，在这个场景中，的确也会让我们觉得重力满像是一种“力”的样子！）重力虽然支配着宇宙，但此“力”却未必符合过去我们赋予“力”的传统定义。爱因斯坦将之称为一种“时空”出现了“变形”的结果，而或许，粒子物理学的标准模型对重力也根本不适用。然而，宇宙中偏有一个地方能看到这个问题真实地存在，尤其，还或许也能对这个问题提出解答：那就是在黑洞周围边上，那里找得到极强的重力！不过麻烦的是，没有人真的“看”过黑洞。所以，黑洞到底是什么？如果我们想像，整个实体世界的这出戏是展演在一个“时空”剧院里，重力就是唯一的那一种“力”，实际上会去改变自己所演出的剧院。
如上图所见的这样一个黑洞阴影中，描述你我世界的两个重要基本理论发生冲突。并随之带出一连串相关的问题，这些问题能否获得解答？黑洞是否存在？在大家继续谈下去之前，最重要的事情，或许是......必须先得有人看到一个黑洞，也因此，科学家正在努力。
物理上有各种“力”，其中一种，我们至今尚未得以“参透”－－即“重力”。重力是基本物理和天文学交会之点，然而，同样也是在“重力”这个地方，描述基础物理和天文学的两种最基本理论，直接“对尬”了－－那两种基本理论就是：量子理論和愛因斯坦對時空和重力的理論（又称“相对论”）。
这两种理论似乎不相容，但大体上来说，这也还好，不是什么问题。毕竟两者的世界大为不同，量子理论叙述的主体极微小，广义相对论描述的尺度则极庞大。
唯有在尺度极微而重力极大的地方，这两种理论才会产生冲突，那意味着，其中一种，应该有错──至少，理论上是。
然而，宇宙中偏有一个地方能看到这个问题真实地存在，尤其，还或许也能对这个问题提出解答：那就是在黑洞周围边上，那里找得到极强的重力！不过麻烦的是，没有人真的“看”过黑洞。
所以，黑洞到底是什么？
如果我们想像，整个实体世界的这出戏是展演在一个“时空”剧院里，重力就是唯一的那一种“力”，实际上会去改变自己所演出的剧院。
重力虽然支配着宇宙，但此“力”却未必符合过去我们赋予“力”的传统定义。爱因斯坦将之称为一种“时空”出现了“变形”的结果，而或许，粒子物理学的标准模型对重力也根本不适用。
当一个非常大的恒星在生命周期终了时爆炸，由于此时再也没有足够的燃料继续对抗重力，它的最内部会因自己的重力而崩解（话说回来，在这个场景中，的确也会让我们觉得重力满像是一种“力”的样子！）
......然后物质崩塌的现象持续，而自然界还没有哪种已知的力，能阻挡这个崩塌进行。
......经过无限长时间，恒星会塌缩成一个无限小的点：一个奇异点──或帮它另取一个名字，叫黑洞。
当然，在有限时间中，恒星核仍然会塌缩到一个有限小的尺度，但那将是在极小的区域里有着极大的质量，无论如何，我们还是以黑洞称之！
黑洞不会把周围的一切吸进去
有趣的是，有人说，黑洞注定把一切都吸进去，那不是真的。事实上，无论你的轨道是绕着一个恒星转，或是绕着由恒星所形成的一个黑洞转，只要两者质量是一样的，就不会对你的轨道带来任何差别。大家熟悉的离心力和角动量仍然会负责“维安”，想掉也掉不进去。
除非你发动超级火箭推进器让你在轨道上的旋转运动突然踩住刹车，于是你才会开始朝圆心内掉落。然而，一旦你开始朝黑洞掉，你的速度就会越来越快，直到达到──光速！
为什么量子理论和广义相对论不相容？
在这一点上，问题迸现了，因为根据广义相对论，没有什么比光速运动更快。
光，在量子世界中，是用来交换力和传输宏观世界中的资讯基板。光负责决定你能多快地连接“因”与“果”。
如果你运动得比光速更快，你就能看到事件发生并在事情发生以前就改变那件事。这带来两个后果:
1. 当你边朝内（圆心）掉落、同时达到光速的同时，你还需要以光速朝外飞，以逃离该点，似乎是不可能的，对吧？因此，传统的物理智慧会告诉我们，一旦任何物质越了界──也被称为“事件视界”，任何东西都不能逃离黑洞。
2. 这也意味着量子的资讯守恒基本原则，突然被冷酷地忤逆了－－守恒的量子量，凭空消失在一道沉默之墙的后面。
上述情形是否属实？重力论(或量子物理学) 是否需要修改？物理学家仍在激烈争论，谁也不敢说这项争议最终将以怎样的方式、朝哪个方向演进。
到底黑洞是否存在？
听起来，精彩可期，但别忘了，要不是宇宙中真正有黑洞存在，想看好戏的兴奋恐怕只是像海市蜃楼的空穴补风吧，所以说，到底，黑洞存在吗？
在20世纪，我们已累积相当证据表明，某些发出强烈X射线的双星，实际上是两个恒星塌缩后形成的黑洞。
此外，在星系中心，我们经常发现有巨大且暗淡的质量聚集的证据，这些可能是超大质量黑洞，其成因，则可能是许多恒星和气体云发生合并并最后沉入星系中心。
这些证据虽然足以令人信服，但仍然是间接的。而且，虽说重力波至少已让我们“听到”了黑洞在合并，但“事件视界”的特性仍然难以捉摸，到目前为止，还没有人真正“看到”过黑洞－－它们太小、太远，且在多数情况下，是黑的。
如果能直视黑洞，不难想像，所看到的仍将是：黑中之黑。
但是，在黑洞的周边，因为气体向内盘旋的缘故，可能很明亮。原因是它们带有磁场，造成阻力，以致速度放缓。因为磁摩擦，气体会加热到高达数百亿度的高温，并开始发出紫外光和X 射线。
同时，超高温电子与磁场中的气体相互作用，也产生强烈的电波。因此，黑洞可以发光，也可能是包覆在一个发出各种电磁波的火环里。
火环中心，至深的黑暗
在那火环的中心，事件视界潜匿着，像一只猛禽，啄食着每一个靠它太近的光子。
由于空间被黑洞的巨大质量所弯曲，所以光路也随之弯曲，甚至是在黑洞周围形成许多同心圆，像一条大蟒蛇盘绕着一座深谷。这种盘旋光的效果，早在1916年，著名的数学家大卫·希尔伯特，在爱因斯坦完成广义相对论的几个月后，就已经计算出来了。
在多次绕着黑洞转动后，一些光线可能逃逸，另一些光线则会在事件视界上了结。沿着这道复杂的光路向深处凝视，某种意义上你已在看黑洞。所看到的虚无之底便是事件视界。
如果你拍一张黑洞的照片，会看到就像在发光的一片雾中存在着的一个黑影。因此，我们把这个特征称为黑洞的阴影。
有趣的是，阴影看起来会比预期的更大（如果你取的是事件视界直径来直接比较的话），原因很简单，黑洞像个巨大的透镜，会放大自己。
由于光线几乎永远绕着黑洞转，在阴影周围将是一个薄薄的“光子环”，再往外，你会看到更多的光环，这些光环都出现在事件视界附近，但由于透镜效应，更往往集中在黑洞阴影周围。
假设在230GHz频段，以“事件视界望远镜”观测M87星系中心的黑洞，数值模拟结果显示，其所见结果可能如上图。
(Image: Moscibrodzka Falcke Shiokawa Astronomy & Astrophysics V. 586 p. 15 2016 reproduced with permission © ESO)
在望远镜解析力较低的条件下所观测到的M87星系的电波喷流。
左图，宽幅约25万光年。黑洞产生一道极为准直的喷流，喷出高热电浆，速度几近光速。(Image compilation: H. Falcke Radboud university with images from LOFAR/NRAO/MPIfR Bonn)
上图是M87星系的“相对论性喷流”gif动画。由荷兰奈梅亨大学Monika Moscibrodzka 按理论模型透过超级电脑模拟计算而得。她曾在2016年5月时访问台湾，在中研院天文所举行的“M87专门研讨会”中分享过黑洞模型模拟计算相关研究。
幻想或真实？
这（黑洞阴影和火环）是只能在电脑上模拟计算的纯幻想？还是说，实务上真能看得到？答案是，可能可以。
宇宙中有两个相对邻近于我们的超大质量黑洞，它们很大，距离上也相对够近，近道可以用现代技术来解析这两个黑洞的阴影。
这两个黑洞，一个是我们自己的银河系中心的黑洞， 距离为26 000 光年，质量是太阳400万倍，还有一个是巨大椭圆星系， M87星系（位于室女座星系团）的黑洞，质量为太阳30~60亿倍。
M87 距离地球虽然较远，但质量是银河系的一千倍，体型也大一千倍，因此这两个天体的阴影直径，预计应该差异不大。
就像在纽约要看到一粒摆在欧洲的芥末籽
巧合的是，简单的辐射理论也预测，这两个天体在事件视界附近产生的电波频率，都是在230 GHz 及以上，这部分，两者相同。
这个频率是高还低呢？简单讲，大部分的人只有在过机场扫描器时才有机会和这种频率短暂相遇，但一些黑洞却是一直和它长相左右。
这种电波的波长范围大约在一毫米左右，特性是很容易被水气吸收。因此，望远镜要观测宇宙里的毫米波，就必须放置在又高又干燥的山上，以避免毫米波的辐射被地球对流层吸收掉。
而实际上，我们所需的毫米波望远镜必须要可以从荷兰看得到一个摆在纽约而且是像芥末种子那么小的物体。那是个比哈伯太空望远镜的视力更锐利一千倍的望远镜，对于要观测毫米波的人来说，这也是个“至少得有大西洋那么大”的望远镜。
以虚拟方法实践了像地球般大的望远镜
然而，幸运的是，我们不需要用单一的一整座电波天线盖住地球那么大一部分，而可以建造一个虚拟望远镜，又具有同样解析立，那是借结合来自地球各地高山上的望遠鏡資料来达成。
这样的技术被称为“地球自转合成暨特长基线干涉法” (VLBI)。这不是特别崭新的创意，而是已经测试几十年的方法，但现在才有办法将它运用在高频电波频段。
初步相当成功的实验已显示，在此频率下，事件视界的结构如何，确实是可以探测的。现在，高频宽的数位设备和大型望远镜，让我们可以大规模地进行这项实验。
摩拳擦掌进行中
本人作者我，是“黑洞照相机计画”（ BlackHoleCam）的三位PI之一。“黑洞照相机计画”经费由欧盟提供，旨在对天文物理上的黑洞进行成像、测量和了解。这也是“事件视界望远镜” （Event Horizon Telescope，缩写为EHT）全球合作计画的成员单位之一。“事件视界望远镜”合作计画由欧洲、美洲、亚洲和非洲共200多位科学家组成，这群伙伴们将一起拍摄“黑洞的第一张照片”。
2017年4月，我们使用了8座望远镜，分别位在西班牙、美国的亚利桑那州、夏威夷、墨西哥、智利、南极6座高山上，我们观测了银河中心和M87星系。
所有的望远镜都配备了高精准度的原子钟，精确地同步资料。当时全球的天气条件都极为良好，观测记录留下好几pb 的原始资料。
对于得以使用到这些宝贵资料，团队成员都感到兴奋。当然，即使在最好的情况下，拍摄到的图像也不及电脑模拟结果呈现的漂亮。但，无论如何都是实实在在的摄影所得， 因此，我们所看到的任何东西，本身都极其有趣。
为了获得更好的图像，格陵兰和法国都有望远镜正在加入我们的行列。此外，我们也开始筹资在非洲和其他地方盖更多望远镜，EHT甚至也考虑增加部署一座太空望远镜。
黑洞的“照片”
当我们真的成功地看到一个事件视界时，我们就能知道的是，在量子理论和广义相对论中所遭逢到的，并非仅只是抽象性问题，而是非常真实存在的问题。我们将可以在宇宙中的几个角落，很明显标示出，在哪几块阴影区域中，有黑洞。
那或许也是前述的一些问题最终得以解决的关键地点。
这个目标，可以藉由取得更清晰的阴影区域图像来达成，或者用追踪绕着黑洞在转的恒星和脉冲星轨道方式实践，或者是藉由测量黑洞合并时的时空涟漪来做，或者最有可能的是，让我们动用人类现有的全部技术，联合在一起，实现探测黑洞的目标。
昨天的奇思异想，将成为明天的科学实验室
我还在念书的时候，曾考虑过未来要念什么：是粒子物理好呢？还是天文物理？读了不少科普文章后，我的印象是，粒子物理学已经达到巅峰，粒子物理领域已建立起一个有模有样的标准模型，该模型能够解释大部分支配我们的世界的力，及粒子。
相对的，探索迷人宇宙至深之处的天文学，则刚刚起步而已，天文上还有很多东西等着被发现。而我，想发现一些东西。
所以最后我选择了天文物理学，因为我想了解重力。而既然黑洞附近能找到最强的重力，我决定尽量靠近黑洞，越近越好。
回头一看，当初念书时带有几分奇幻，名叫黑洞的概念，如今即将成为一个非常真实、可见的物理实验室。
参考资料：sites.google.com
sciencenordic.com
黄珞文
周美吟博士
Dr. Heino Falcke投稿于北欧科学网
Dr. Falcke为荷兰奈梅亨拉德堡德大学天文物理系教授，现任EHT（事件视界望远镜）科学委员会主席。
