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天文學家發表目前觀測到最亮的超新星爆炸
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「首先，EHT這個望遠鏡聯合組織，是一直把銀河系中心黑洞和M87星系中心黑洞，當作重點觀測對象的。而最終公佈的照片只是M87星系中心黑洞的樣子，銀河系中心的那個黑洞沒有，為什麼？
那是因為銀河系中心黑洞的那張照片並不顯著，而且團隊內部還有分歧，所以就沒有公佈。
也就是說，很可能像今天公佈的這樣，正在「大吃特吃」的黑洞在宇宙中佔比不是很高。而我們目前，也只能通過多拍攝這類少數派獲取關於黑洞的更多信息。那種黑洞周圍平平靜靜的情況，即便我們對準了角度，拍出的全黑的照片也是很難用在研究中的。
這一點，有點像我們用引力波探測器「聽」黑洞那樣，它現在也有一個局限——我們只能聽到黑洞或中子星互相環繞著轉，然後突然對對碰產生的大爆炸。哎，只能聽到這一類事件，而不能聽到一個安安靜靜的黑洞獨處的情況。
那為什麼M87星系中心黑洞這麼顯著呢？這主要是因為我們運氣好。這個巨大黑洞周圍很巧，有著大量可供吞噬的物質。
照片里哪些是可供吞噬的物質呢？你可以看看照片，就是那些特別扎眼的黃色、紅色區域。那裡就是正在被黑洞吞噬的物質。
那這些物質為什麼會這麼耀眼呢？因為本來它們可能只是稀薄、低溫的氣體或者塵埃，但很幸運的被黑洞聚攏在一起，並且開始高速旋轉著靠近黑洞了。這就相當於把塵埃顆粒加到極高的速度，在加速過程中就會有摩擦和碰撞，於是就導致溫度升高，以至於當它們接近黑洞時，已經發出了非常耀眼的電磁波。
當然，這個電磁波是我們人眼看不到的。它的波長大約為幾毫米，而人眼只能看到0.5微米左右的電磁波。
其次，這張照片中標注了日期，有4月5日、6日、10日、11日這四天。也就是說，理論上每年最多只有10天的觀測窗口期，在2017年只有4天拍出了這顆黑洞比較完美的照片。
再次，這張照片下半部分特別亮，上半部分比較暗，這又是怎麼回事呢？
其實這並不意味著黑洞的不均勻，而是因為一種叫做「多普勒效應」的因素導致的。這個效應會讓朝著電磁波傳播方向運動的觀測者測到更高的頻率，而遠離電磁波傳播方向的觀測者測到更低的頻率。最通俗的說法就是，火車拉著汽笛經過你身邊是聲音是「嗯~嗯~~~」那樣的。這就是多普勒效應。
所以從圖中來看，明亮部分的物質其實正在圍繞黑洞旋轉，而正好轉向了我們的那一部分；而上半部分比較暗的那些呢，那裡的物質正好在旋轉過程中遠離了我們。
所以，從這張照片中明暗的變化，不但可以讓科學家推測出黑洞的自旋情況，另外還可以估算出吸積盤的尺寸。要知道，吸積理論也是宇宙學的一個分支。
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單一照片上的細節，咱們就簡單說這麼多，然後呢，我們再看下面一張對比的圖片。
這張對比圖左邊是在這次公佈照片前，利用現有的宇宙學知識，用計算機模擬出來的黑洞周圍物質和黑洞本身的樣子，右邊是這次真實拍到的。
你可以發現，這二者非常接近。這也是為什麼這次公佈照片如此高調的原因，因為它是一次理論的勝利。在始終只有數學工具，而沒有任何直接觀測的基礎上，科學家僅僅通過計算就能預測黑洞大致是什麼樣，這是人類智慧的驕傲。
那理論勝利具體體現在哪兒呢？它體現在一個從未有人涉足過的領域里，又一次驗證了愛因斯坦的廣義相對論。
廣義相對論的最初幾個驗證是怎麼得到的？這些內容在《卓老闆聊科技》2017年4月14日-5月5日的黑洞系列文章里，我們詳細說過，這裡不再重述。如果你感興趣，可以往回翻一翻。
2017年4月14日《黑洞與恆星的命運》
2017年4月18日《受了50年委屈的科學家》
2017年4月21日《瞭解黑洞必備的幾個知識點》
2017年4月25日《四種黑洞與年輕的霍金》
2017年4月28日《時間的終點與霍金的黑洞》
2017年5月2日《宇宙大爆炸的來龍去脈》
2017年5月5日《蟲洞的來龍去脈》
總的來說，那些驗證的實驗，都是在引力強度和地球相仿的那些環境下得到驗證的。
而黑洞邊界附近的引力場，已經遠遠強過地球附近，在引力強度增大了十幾個數量級後，廣義相對論還正確嗎？之前是沒人知道的。而今天這個照片就給了初步的證據——廣義相對論還是有效的。
這個正確了，那就有其他理論要倒霉了。以至於這幾十年來，關於引力的其他一些假設，可能就要受到挑戰了，也可能就此遭到淘汰。
同樣得到驗證的，還有霍金關於黑洞性質的計算。比如不論通過怎樣的過程，只要最終形成了黑洞，那麼這個黑洞最多就只有3個物理量是可測的，分別是質量、自旋和帶電量。
而在這幅照片中，只有中心處黑洞的陰影是近乎圓形的時候，才能說明愛因斯坦和霍金對黑洞的計算是對的。而實際上呢，這個陰影真的是個圓。
假如今天公佈的照片里，陰影是個桃心的樣子或者是個橢球的樣子，那可能會引起物理界更大的轟動——因為現代物理學的大廈，可能就不得不重新打地基了。
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最後，我們來說說這次觀測的意義。
它首先是一個極為基礎性的研究，幸運的是，黑洞這個概念通過電影和小說實在是太深入人心，太容易激發大家的關注了，所以才會造成4月10日晚上朋友圈刷屏的效果。
而實際上，其他物理學或者天文學上同等級別的基礎研究，是沒機會映入大家眼簾的。能激發起全球上億人對宇宙的好奇和情懷，這是一次優秀的科學傳播事件。
其次，如果你是一個有文化的人，那麼「我們從哪兒來」這個問題對你一定有吸引力。這個答案從何而來呢？你免不了要學習自己的祖先和民族的歷史，甚至還可以更遠，從考古發掘中瞭解智人的歷史，甚至完全超越民族的界限，學習人類走出非洲的歷史。但其實，還有更遠的歷史可以追溯，那就是地球的形成。
其實在太陽系剛剛形成之初，地球就已經形成了。據說，全部太陽系都是由曾經處於現在太陽系位置附近的一顆超新星，爆炸留下的殘骸形成的。也就是說，當那次爆炸後，無數物質被噴灑到各處，殘存的物質又在「旋轉成核」的作用下慢慢凝聚起來，形成了今天的太陽和系內的其他星體。
而這就是我們追根溯源的最初嗎？也不是。因為昨天的預告中我們說過，每一個星系的中心都存在一顆質量巨大的黑洞，比如我們銀河系的中心那顆黑洞是太陽質量的400萬倍，而今天照片里的黑洞是太陽質量的60億倍。
如果星系中心沒有超大質量的黑洞，可以說整個星系永遠也不會平靜下來，永遠也不會聚合起來。能建立起一個有序的星系，才有可能形成行星軌道的可持續棲息帶。有了可持續棲息帶，才能輪到生命登場。
生命現象在一個行星上維持的時間久了，才有可能出現高智能生命。對銀河系來說，就是我們人類終於出現了。
所以給黑洞拍照，實際上也是科學家們對「我們從哪兒來」這個終極問題的一部分回答。
雖然我們已經付出了這麼多努力，今天還是只能看到這樣一張模模糊糊的圖片，但它已經給科學界很強的信心了。它讓我們相信，之前得到的結果很可能是對的。更讓我們相信，人類從古希臘時期就探索到的那種關於如何獲取真知灼見的方法論，也是可靠的。
我想，這張照片的意義就在於此。」
黑洞是什麼？
這篇說明昨日公佈的黑洞照片雖不能算真正黑洞照片，卻是人類首次直接見証的第一步。
高科技進步，讓我們得以一窺黑洞神秘面紗，而就算不懂科學的人，這篇說明簡單易懂，好像帶我們在黑洞外圍走一圈，宇宙真的好神奇！黑洞更神秘。
#黑洞
#宇宙視野旅行
【新文章】人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論
黑洞帶給人類永恆的神秘感，它是時空的盡頭、連光也擺脫不了的「洞」。即使是理論物理學家，也難以用筆墨形容黑洞的模樣。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能，儘管航行者1號、2號花了近40年，才剛在不久前越過太陽系邊界，但黑洞都在太陽系以外非常遙遠的地方。
2017年，來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡，持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）的無線電望遠鏡網絡，終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」，並於2019年4月10日全球同步發表。
黑洞是什麼？
黑洞是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論的方程式的一個數學解。愛因斯坦發現，在我們身處的宇宙中的任意點上，加速度與重力並不能被區分開來，是為「等效原理」。利用等效原理，加上光速不變假設，愛因斯坦推導出一組十式的方程組。廣義相對論取代了牛頓重力定律（或者可說是牛頓重力定律的更新版本），只要知道時空某處存在多少質量，就能夠利用那十條方程式描述時空的演化。
重力的特性是它只會互相吸引，不像電磁力那樣既能相吸亦能相斥。因此，質量越多，重力就越強；重力越強，就更輕易吸引更多物質。物質如果要擺脫更強的重力，就得付出更多能量。例如，在一顆小行星上，輕輕一跳可能就已足夠擺脫其重力；在地球上，卻必須利用火箭加速至最少每秒11.2公里，才能飛進宇宙空間。
早在愛因斯坦以前，物理學家就曾經想像過一顆質量非常高的恆星，其重力強大到必須跑得比光更快才能逃逸。牛頓重力理論中沒有質量的東西不會被重力影響，而光線究竟有沒有質量在當年也是未解之謎，他們想像「如果」光線也會被重力「拉」回恆星表面的情況，就把這種想像中的恆星稱為「暗星」。
廣義相對論中的重力卻能影響一切事物。所有物質，哪管有沒有質量，全都會被重力吸引。天體物理學家發現，當一顆質量巨大的恆星耗盡核反應燃料時，抵抗自身重力的壓力就會在一瞬間消失，恆星會向內坍縮、反彈，引發超新星爆發。超新星爆發後剩下來的核心質量如果足夠高，就會變成一個逃逸速度比光速更高的區域。我們叫它做黑洞。
黑洞不會發光，而且大多數黑洞體積又不大、離地球又遠（幸好）。因此，望遠鏡必須造得夠大，才能收集更多光線和提高解析度。以人類的科技，要探測上述由恆星死亡超新星爆炸所創造出來的細小黑洞（尺寸大多比地球上的城市更小），仍然遙不可及。不過，宇宙間有些黑洞尺寸卻巨大得難以置信。天文學家發現，在每個星系的中心，都存在一個極其巨型的黑洞，質量達到幾百萬個太陽，稱為超大質量黑洞。天文學家認為這些星系中心的黑洞由遠古細小黑洞互相結合而成的，它們同時也影響著星系的演化過程。
星系M87（Messier 87）的中心也有一個超大質量黑洞。它距離太陽系約5千5百萬光年，半徑約為37光時。M87的質量是太陽的65億倍，從地球上觀察，它的事件視界（event horizon）只有大約16微角秒。從地球看，這等於月球上太空人的拳頭大小。事實上，今次EHT的天文學家拍攝的並非M87的事件視界，而是在事件視界外面約40微角秒大小的吸積盤（accretion disk），叫做「黑洞的影子（black hole shadow）」，實際尺寸大概為冥王星軌道的2.7倍。
事件視界望遠鏡（EHT）是什麼？
根據簡單光學定律，望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短，解析度也越高。人類所造的地面望遠鏡之中，無線電望遠鏡建造相對容易，因此普遍來說都較可見光望遠鏡巨大。另一方面，無線電受大氣擾動干擾的影響亦較可見光為低。EHT使用的無線電波段為1.3毫米，經過計算，我們需要的望遠鏡尺寸是⋯⋯地球直徑（即大概13,000公里）！
然而，即使是地球上最巨型的無線電望遠鏡，例如美國的阿雷西博望遠鏡（Arecibo Telescope，直徑305米）、中國的500米口徑球面無線電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST，直徑500米），以及俄羅斯的科學院無線電望遠鏡-600（Academy of Science Radio Telescope – 600，簡稱RATAN-600，直徑600米）等等，也遠遠不夠大。怎麼辦呢？總不能把整個地球改建成一支望遠鏡吧？幸好，物理學家早就發展出一種技術，叫做甚長基線干涉測量法（Very-long-baseline Interferometry，簡稱VLBI）。VLBI技術利用光線的波動特性，把不同地點的光線訊號互相重疊，從而構成更光亮、解析度更高的影像。
世界各地都有很多無線電望遠鏡，因此天文學家組成了一個VLBI望遠鏡網絡，用來加強所拍攝的影像的光度和解析度。EHT就是這個VLBI網絡的一部分，專門拍攝M87。過去兩年間，EHT收集到了足夠的光線，利用干涉分析建構出一幅解析度達20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10號，我們終於能夠一窺黑洞的廬山真面目！
不發光的黑洞為什麼可以看得到？
咦，不是說過連光也不能離開黑洞嗎？為什麼還會有來自黑洞的訊號？
黑洞本身不會發光（理論上黑洞會放出所謂的霍金輻射（Hawking radiation），但這超出本文討論範疇，我在以往文章中已經討論過）。然而，正被黑洞吸入的星際物質、甚至是被黑洞強大重力扯得支離破碎的恆星碎片，會一邊加速至極高速度、一邊落入黑洞之中。這些物質構成一個溫度極高的吸積盤，會在落入黑洞之前釋放出大量輻射。EHT觀察的就是這些剛好在黑洞邊界發射出來的光。
順帶一提，黑洞邊界是時空中的資訊能夠傳播的最後界線，跨越了黑洞這道邊境的任何資訊都不可能被黑洞外面的宇宙所探知。因此，黑洞邊界又稱為事件視界，象徵宇宙中一切事件的盡頭。EHT的名稱也就很明顯了：事實上它拍攝的並非黑洞「本身」，而是事件視界外的黑洞影子。
愛因斯坦的預言
既然這是人類史上首張黑洞照片，為什麼我們會知道M87中心有個黑洞？
我們觀察到來自M87的X射線高能量噴流（jet）。天體物理學模型指出，當吸積盤的物質落入黑洞時，會有一部分物質被高速從黑洞兩極拋走，形成噴流。噴流中的物質溫度極高，加上其速度非常接近光速，因而放出X射線。這些來自M87的X射線能量間接指出其中心必定存在一個能提供物質如此強大能量的能源。根據人類已知物理學，黑洞是唯一解釋。
科學與其他學問的一個分別是，我們能夠利用科學定律來作出極其準確的量化（quantitative）預言。愛因斯坦廣義相對論的預言已經被實驗和觀測所一一證實，包括位於較強重力場中的時間流逝速率相對較慢（全球定位系統人造衛星必須使用廣義相對論作岀修正，所以我們的手提電話已是明證）、空間會被重力場扭曲（人造衛星已經測得地球附近空間扭曲程度與相對論預言一致）、2015年直接探測到去兩個黑洞碰撞結合所釋放出的重力波（重力波觀測亦為黑洞存在的證據）。
EHT這張照片只是人類直接觀察黑洞的第一步。雖然這照片與想像中的電影劇照有頗大出入，卻是愛因斯坦相對論的另一個明證。誰知道未來人類科技會進步到何等程度，帶我們看到什麼？
