黑洞究竟是什么？

首先我们来看一下第一个问题：黑洞是什么？说起黑洞，你脑海中浮现的也许是科幻电影里，那个吞噬一切的黑色漩涡。这个想象其实并不离谱——黑洞确实可以理解为一个引力极其强大的“无底洞”，任何东西一旦掉进去，哪怕是光，也休想逃脱。那么，黑洞在科学上到底是怎么定义的呢？简单来说，黑洞是由极其致密的物质形成的天体，它的引力强大到在某个范围内连光都逃不出来。这个范围的边界有个专门的名字，叫“事件视界”，英文是event horizon。你可以把它想象成黑洞的“一去不返门槛”——一旦跨过这道门槛，外界就再也看不见你了，你也不可能返回。
黑洞这个概念，其实来自爱因斯坦在1915年发表的广义相对论。广义相对论告诉我们一个颠覆常识的道理：质量会扭曲周围的时空。你可以想象在一张绷紧的橡皮膜上放一颗保龄球，膜面会凹陷下去。质量越大的天体，就像越重的球，把时空“压”得越深。爱因斯坦的方程预言了许多奇妙的现象，其中最极端的就是黑洞。1916年，德国物理学家卡尔·施瓦西在爱因斯坦的方程中找到了一个解：当物质密度达到某个临界值时，时空会塌陷成一个“奇点”，也就是密度无限大的点，并包围着一个视界边界。这个理论上的奇异解，基本就是“黑洞”的雏形。
但是，这个结果在当时太超出常理了，几乎没有科学家相信黑洞真的会存在。连爱因斯坦本人都觉得，大自然不可能允许这么怪异的东西存在。他在1939年还发表论文，断言黑洞不可能在现实中出现，它只是数学上的理想化情形。想想也是，一个连光都逃不出的无底深渊，听起来确实太荒诞了。巧合的是，同年奥本海默与斯奈德发表文章，首次明确描述了引力坍缩形成“黑洞”的过程。也就是说，在同一年，爱因斯坦和奥本海默得出了相反的结论。不过无论如何，在最初的几十年里，黑洞一直只是理论上的产物，没人把它当作真实的天体来研究。
既然黑洞看不见，科学家们是怎么证明它真的存在的呢？这就像侦探破案一样，得从蛛丝马迹中找证据。咱们刚才提到，爱因斯坦的理论预言了黑洞，但连他自己都不相信。这种怀疑在20世纪上半叶很普遍。转机出现在1960年代。人类终于在观测中看到了黑洞存在的第一批线索。

1963年，天文学家发现了“类星体”——一种遥远而极其明亮的天体，它们亮得不可思议，能量之大远超想象。科学家们想来想去，唯一合理的解释就是：有一个超大质量的黑洞在那里释放出巨大的引力能，吞噬物质，从而形成了我们看到的亮斑。差不多同时，在我们银河系内也发现了奇怪的X射线信号。1964年，科学家找到了第一个宇宙X射线源“天鹅座X-1”。这个信号来自哪里呢？来自一个看不见的致密天体和一颗大质量恒星组成的双星系统，这个系统里，那颗明亮的恒星在围绕着一个隐形的“伙伴”旋转，这个隐形的伙伴不断吸积着恒星的气体，还射出强烈的X射线。经过分析，科学家们几乎可以确定：这个隐形的伙伴就是黑洞。这是人类第一次在银河系中找到黑洞的候选者。
有意思的是，当时著名的科学家霍金和基普·索恩还为此打了个赌：霍金不相信它是黑洞，索恩则坚信无疑。几年后，越来越多的证据支持黑洞的说法，霍金只好认输。这个小插曲也反映了那个时代科学界的心态：黑洞的存在曾经让人将信将疑，但证据正一点点把它推向现实。
顺便说一下，我和我的合作者在几年前测量了这个黑洞的质量，发现它大约是太阳质量的20多倍，进一步确认了它确实是个黑洞。随着证据越来越多，科学界开始认真对待黑洞这个概念。黑洞研究逐渐从边缘走向前沿，成为物理学和天文学的热门课题。在这个过程中，最传奇的人物当数霍金。他不仅证明了黑洞奇点必然存在，还在1974年提出了一个惊人的预言：黑洞会通过“霍金辐射”缓慢失去质量，直至最终蒸发消失。这个预言把引力理论和量子理论联系起来，也引出了著名的“黑洞信息悖论”——这个我们待会儿再详细聊。
不过，尽管科学界逐渐接受了黑洞的存在，但一直没人真正捕捉到过黑洞。道理很简单，毕竟黑洞本身不发光，你用普通望远镜只能看到黑漆漆一片。那有没有别的办法直接捕捉到黑洞呢？21世纪初，人类终于等来了全新的观测手段。2015年9月，激光干涉引力波天文台LIGO做了件了不起的事：它捕捉到了两个黑洞撞击合并时产生的引力波信号。这是人类第一次直接“听见”黑洞，用引力的方式确认了黑洞的存在。
既然能“听”到黑洞了，人类自然想进一步“看”到黑洞。于是，就有了我们接下来要聊的故事，也就是黑洞的照片是怎么拍摄出来的。