《细思极恐》第十四章 视而不见

2019年4月10日，人类有史以来第一次拍到的黑洞照片公布，接下来几天里刷爆屏幕，大家不管懂不懂都争相传阅。虽然这大部分是公众猎奇心理和装x需要的一阵跟风躁动，但对于真正热爱科学的人们，这却是实实在在的知识盛宴。

照片中的M87黑洞位于室女座A星系，距离我们约5500万光年，亦即我们看到的是它5500万年前的样子。这是一个超大质量黑洞，质量约为太阳质量的65亿倍，它的史瓦西半径达195亿公里，四倍于太阳到冥王星的距离。

且慢！黑洞不是吞噬一切连光都跑不出来吗，我们对黑洞应该视而不见才对，这张照片是怎么拍到的呢？答案是迂回战术，间接探测。

吞噬万物是黑洞基本属性，周围的星云尘埃、恒星行星、过路光子、误入粒子，只要进入它的势力范围，都将无一幸免。这些被强大引力拉向黑洞的物质聚集成一个扁平的吸积盘，接着被加速、撕碎、碾压，彼此碰撞摩擦，变成一锅高温高能粒子粥，同时辐射出巨大的能量，如γ射线、X射线、可见光、射电波等。所幸它距离我们足够远，否则，强劲的γ射线暴足以瞬间把太阳系炸得灰飞烟灭。但也正是因为距离遥远，目前口径最大的光学望远镜也无法在茫茫宇宙中看到M87黑洞的吸积盘，而只能通过在波长更长的射电波段，采用一种被称为“甚长基线干涉”的技术来探测来自其吸积盘的射电波。事实上，这次拍摄是位于西班牙、智力、夏威夷、美国亚利桑那州、墨西哥、格林兰岛的六个射电天文台协同工作，历时两年多才得以完成的。最后，根据射电波段观测所得信息，通过电子计算机合成，才最终得到我们眼前这张刷爆屏的黑洞照片。你没有听错，这真的是一张合成照片！

瞅瞅这张有点像恶魔之眼的黑洞照片，明亮的环状物就是吸积盘，内部全黑的自然就是黑洞内部的不可见世界，明暗交界处即事件视界。由于吸积盘内粒子以接近光速向黑洞螺旋运动，它发出的辐射方向将沿粒子运动方向汇聚成狭窄的圆锥状，而非自由自在地朝四面八方随意辐射。只有当这个辐射光锥范围覆盖地球时，我们才能观测到它。同时，高速运动导致的多普勒效应非常明显，就像火车朝我们迎面而来时汽笛声尖锐、远离我们而去时汽笛声低沉一样，吸积盘粒子朝向地球运动时辐射大幅增强，背向地球而去时辐射大幅减弱。因此，正如这张黑洞照片所展示的那样，吸积盘看上去并非亮度均匀的标准圆环，而是一半较亮一半较暗的新月形状。此外，从照片上还可以看到，吸积盘最外圈较暗，向内逐渐变亮，然后又逐渐变暗，直到黑洞视界内完全漆黑。这是因为外圈距离黑洞较远，粒子速度较低，辐射较弱；中间圈粒子速度比外圈要快，辐射明显增强；越靠近黑洞粒子速度越快，辐射越强，按理应该更明亮，但因为大部分辐射都落入黑洞，只有少部分逃离魔爪，因而看起来反而较暗。尽管只是粗略分析，但这张黑洞照片所呈现出来的各种特点，都与广义相对论的推测完美吻合，忍不住要给爱因斯坦双击666呀！

除了吸积盘辐射，我们还可以通过引力透镜效应来发现黑洞。虽然说黑洞“无毛”，除了质量、角动量、电荷外没有更多信息，但只要有质量就有引力，黑洞想完全隐藏是不可能的。恰恰是黑洞强大的引力，使得它周围的时空发生了严重的弯曲，位于黑洞后面的星光虽然大部分被吞噬失踪，但视界外围的光线依然能弯曲前进，并最终来到地球进入我们的视线。从地球上看去，原本一个光点的星体，看起来就成了一个光环或光弧（取决于地球、黑洞、星体三者的相对位置）。这类似于凸透镜改变光路的原理，因此被称为引力透镜效应。当观察到这种现象时，往往就可以判断地球与被观测星体之间存在黑洞。如果背后的星体与黑洞的距离合适，不但朝向地球一侧的光可以达到地球，其侧面甚至背面辐射的光也可以被黑洞引力强行拉回，绕个弯儿后进入我们的视线，也就是说我们可以同时看到这个星体前后左右上下的样子，妥妥的全息投影有没有！

写到此处不禁后背发凉呀，感觉我们看到的漫天繁星，或许很多只是同一颗星体的多个影像而已，突然间失去真实感了。当然，引力透镜效应除了有助于发现黑洞，也名副其实地有放大作用，可以把来自遥远星体的暗弱光线汇聚增强，让我们得以看到它们。

此外，突然出现的超大能量爆发，也往往被视为黑洞存在的证据之一，比如两个黑洞碰撞爆发出超乎想象的巨大能量，这是我们所知的超新星爆发、中子星碰撞等其他任何机制都无法产生的能量大爆炸。排除所有不可能，剩下的即使再不可能也是最可能的。当然，霍金辐射理论上也是黑洞露出来的狐狸尾巴，但可惜这实在太微弱了，因而至今未能探测到它的蛛丝马迹。

从宏观层面，有些星体的异常行为也常被认为是黑洞作祟。这是基于引力弹弓效应的现象，当一颗恒星从黑洞周围经过且距离、方向和角度都合适时，黑洞强大的引力将牵引星体先靠近、然后从切向将星体甩出，看起来就像弹弓发射一样，使星体在短时间内加速到很高的速度。甚至有更特殊的情况，一个双星系统位于黑洞周围合适位置，这哥俩除了相互绕转外，还同时作为一个整体加速落向黑洞。接近视界时，其中一颗坠入黑洞，另一颗没了它的羁绊，将同时被向外甩出，高速远离黑洞，幸运地捡回一条小命。当观察到上述星体的异常运动，而周围又没有其他大质量可见天体时，则可八九不离十猜测存在黑洞了。

我们谈及黑洞时，总伴随以巨大能量和时空弯曲，这给脑洞大开的人们以启示：人类是否可以对黑洞的这些资源加以利用呢？从宇宙大历史而言，包括太阳在内的所有恒星都有能量耗尽而熄灭的一天，若宇宙像如今观测到的那样持续膨胀下去，恒星熄灭或爆炸后抛洒的星云将不会再重新聚集成新的恒星，届时除了黑洞吞噬吸积盘所辐射的光芒外，整个宇宙将落入永久的黑暗之中。若那时人类文明还存在，或许只能冒险接近黑洞，利用吸积盘辐射的能量苟延残喘。当然了，设想千亿年之后的事情未免杞人忧天，我们还是要回归现实。或许在不久的将来，依靠粒子对撞人工制造原子尺度甚至更大点的黑洞，作为星际旅行的能量来源还是可以实现的。再或者，通过人工制造的黑洞来弯曲时空，造出时空曲率引擎，把地球文明跃升到星际文明。只不过，按目前的科技水平，上述“不久”的将来，估计也是几万年以后了吧。