黑洞的第一張照片即將公布，我們該關注哪些問題？

一直以來，天文學家都一直夢想著能夠“看見黑洞”。在不懈地努力下，這個夢想即將成真。

正如夜空中的星星具有不同的類型一樣，黑洞也可以根據它們的大小和質量而被分為幾類：

原初黑洞：形成於大爆炸之後，大多數都非常小，質量較低的那些可能已經蒸發殆盡，質量較大的可能依然存在——不過我們還沒有發現它們的蹤跡。

恆星級黑洞：在大質量恆星的生命末期，最終會形成一顆黑洞。大多數恆星級黑洞的質量介於5到10個太陽質量之間，但有些則比太陽質量高出幾十或上百倍。

超大質量黑洞：這些黑洞的質量要比太陽質量高出幾百甚至數十億倍，它們棲居在星系的中央。這些黑洞是如何形成的依舊是天文學中最大的謎題之一。

中等質量黑洞：質量介於恆星級黑洞和超大質量黑洞之間。天文學家已經發現一些可能的候選，但還沒有確鑿的證據表明它們存在。

事件視界望遠鏡（EHT）是一台由世界各地的射電天文台組成的望遠鏡，它的分辨率相當於使用了一台尺寸為地球般大的虛擬望遠鏡。2017年4月，EHT對準了宇宙中的一對引力怪獸：一個是銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*，另一個是位於M87星系中心的超大質量黑洞。

經歷了漫長的數據分析，終於，EHT將在4月10日公布“突破性”的結果！在這歷史性的一刻到來之前，我們需要知道的是，此次的意義不僅在於我們即將看到黑洞的第一張照片，還意味著我們或許即將揭開一些已讓我們困惑許久的謎題：

1. 檢驗愛因斯坦的理論

所有人關心的第一個問題自然是：黑洞究竟長什麽樣子？如果一切都如廣義相對論的預期，那麽我們看到的黑洞圖像將會是：一個圓形“剪影”被一圈明亮的光子圓環所圍繞：

M87星系中心的超大質量黑洞的模擬圖像。中間的黑色區域是黑洞的剪影。| 圖片來源：Jason Dexter (左) and Kazunori Akiyama (右)

觀測黑洞的剪影非常重要，因為它的形狀和大小是由愛因斯坦的廣義相對論所決定的。科學家渴望在黑洞這樣極端的引力環境下，檢驗廣義相對論的有效性。一些其他試圖替代廣義相對論的引力理論預言了稍微不同的形狀。因此，確定黑洞剪影的的確切形狀，或許能幫助我們打破理論物理學中最令人沮喪的一個僵局——廣義相對論與量子力學之間的矛盾。

廣義相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，廣義相對論適用於質量巨大且引力作用很強的物體，比如黑洞；量子力學則控制著亞原子粒子的奇異世界。但這兩種在各自領域都非常成功的理論卻互不相容。所以，有些東西必須放棄。如果廣義相對論在黑洞的邊界處失效，這或許會為理論物理學家指明前進的方向。

黑洞剪影的模擬圖像：廣義相對論預言剪影是圓形的（中），其他理論則預言了不同的形狀（左、右）。| 圖片來源：D. Psaltis and A. Broderick

2. 理解吸積盤

當人們想到黑洞時，腦海中浮現的畫面可能就像是一個巨大的吸塵器，它能吸走附近所有的物質。事實上，黑洞確實會通過吞噬附近的物質而成長，但物質落入黑洞實際上是相對困難的。如果物質與黑洞保持了一定的距離，那麽它們可以只在引力的作用下一直繞著黑洞旋轉，就像太陽系中的行星繞著太陽旋轉一樣。

因此，如果要使物質能被黑洞吞噬，那麽除了引力外，還需要其他的東西讓它足夠地靠近黑洞。這個過程被稱為吸積，它是由摩擦力驅動的。當物質以氣體的形式落入黑洞時，它會失去引力能，並因摩擦而受熱。氣體會在黑洞周圍形成一個熱盤，並落入黑洞，從而導致黑洞生長。

由於黑洞是如此巨大，但同時又如此致密，物質需要放棄許多能量才能落入。因此超大質量周圍的一些吸積盤異常明亮，其亮度可以超過其宿主星系中所有恆星的總和。在銀河系中心的人馬座A*周圍有著相對較暗的吸積盤，其亮度只有太陽的幾百倍。EHT的一個關鍵目標，就是理解為什麽相比於宇宙中其他的一些明亮黑洞，我們星系中的黑洞如此暗淡。

另一個懸而未決的問題是：是什麽產生了使黑洞可以成長的摩擦力？通常情況下，摩擦是由原子間的相互碰撞引起的，但超大質量黑洞周圍的氣體非常稀薄，原子間很少發生碰撞。因此必然存在一些更複雜的機制引起了摩擦，從而使吸積盤可以形成。一個主要的假設是，旋轉的磁場產生了一種特殊類型的湍流，從而使吸積盤能以一種類似摩擦的方式在耗散能量，而不需要原子間的直接碰撞。然而，這種湍流從未在實驗中觀測到過。通過拍攝黑洞周圍的吸積盤，EHT將進一步驗證這一假設，並將更好地理解使吸積盤形成和黑洞成長的過程。

在EHT公布突破性結果的前夕，天文學家首次拍攝到在天鵝座A中心的超大質量黑洞周圍的“塵埃環”，這是活動星系核（AGN）統一模型的重要成分。| 圖片來源：Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

3. 一些黑洞是如何產生噴流的？

一些黑洞是貪婪的饕餮，它們吸入大量的氣體和塵埃；而另一些黑洞卻是挑剔的吞噬者。沒有人知道是什麽原因導致了這種差別。

人馬座A*似乎屬於挑剔的那一類，雖然質量高達400萬個太陽質量，但它卻有著出奇暗淡的吸積盤。而EHT的另一個觀測目標——M87星系中的黑洞，就是一個貪婪的吞噬者。它的周圍不僅聚集著一個明亮的吸積盤，它還會發射出一束明亮、快速的帶電亞原子粒子噴流，可以延伸到5000光年的距離。

許多其他黑洞產生的噴流比整個星系還要長、還要寬，可以從黑洞延伸到數十億光年之外。那麽問題來了：什麽東西會如此強大，能夠將這些噴流發射到如此分離度？如今在EHT的幫助下，我們終於可以追蹤到底發生了什麽了。

EHT對M87星系中心黑洞的測量將有助於估計它的磁場強度，而天文學家認為，黑洞的磁場強度與噴流發射機制有關。當噴流接近黑洞時，對噴流性質的測量將有助於確定噴流的來源——它到底是在吸積盤的最內部，還是在吸積盤中更遠的地方，又或是在距離黑洞自身更遠的地方。這些觀測結果還可能揭示出，噴流是從黑洞自身的某些部分發射的，還是吸積盤中快速流動的物質發射的。

由於噴流可以將物質帶出星系中心，帶向星系之間的區域，因此噴流可能會影響星系的生長和演化，甚至會影響恆星和行星形成的位置。

無論明天最終的結果會是什麽，都將是劃時代的。讓我們拭目以待！