从人类的第一张黑洞照片中，我们知道了什么，还不知道什么？
原创2021-11-27 18:49·寒武纪科学馆
EHT观测到的巨型椭圆星系"M87"中黑洞阴影的图像。来源：EHT Collaboration
2019年4月10日，这一天令整个科学界兴奋。
人类成功拍摄到历史上的第一个"黑洞"。
当天，全球六个地点同时举行记者招待会，"黑洞"首次展现在世人面前。
当时，黑洞的图像成为世界各地的报纸头条。观测人类历史上的第一个黑洞，是一个庞大的国际联合研究项目，涉及来自世界各地的200多名研究人员。
事件地平线望远镜（EHT）观测到的是巨型椭圆星系"M87"的图像。
图像的中心阴影是由存在于核心的巨型黑洞形成的，而"光环"则是黑洞的边缘。 这个昏黄的环和中心黑洞的发现，使人类第一次直观地看到黑洞确实存在。
如今，距离这个令人兴奋的事件已经过去两年。
那么，从这张甜甜圈般的图像中，我们到底知道什么，还是不知道什么？
什么是黑洞？
EHT的成就是在全球同时举行的会议上宣布的。 创始人谢泼德·多尔曼在华盛顿的会议上发言。
黑洞是天才物理学家爱因斯坦提出的广义相对论所预言的极端强重力场的"解"。
牛顿的"万有引力定律"认为，在具有质量的所有物质之间，相互吸引的"万有引力"起作用。 这就是为什么地球有重力。
另一方面，当爱因斯坦试图用广义相对论来理解重力时，思维方式就会改变。
广义相对论认为，当物体具有质量时，其位置的"时空"会扭曲，并且引力的强度根据时空的变形程度来确定。
地球扭曲时空的图像
那么，如果质量越来越大，或者物体的密度在一个点上收敛得越来越小，会发生什么呢？
在牛顿的万有引力定律中，当质量增加或密度增加时，万有引力会无限增加。
在广义相对论中，由于质量增加或密度增加，预计会出现"时空失真"无限大（重力无限大）的点，即黑洞。
黑洞的阴影是什么？
ESO,ESA_Hubble,M.Kornmesser_N.Bartmann
那么，EHT拍摄的黑洞的"阴影"是什么？
在引力无穷大的黑洞周围，光会被引力扭曲（沿着时空扭曲的方向）。而且，在引力大于一定大小的区域，即使光也无法逃到黑洞之外。
此边界称为事件的视界。
黑洞利用引力将周围的等离子体气体吸入，等离子体气体通过摩擦产生热量，发出光芒。
但是从黑洞附近发出的光，以及通过黑洞附近的光，由于黑洞强大的引力，轨道会弯曲得更大，落入黑洞中，不会到达我们身边。
另一方面，从黑洞"稍远"处发出的光可以到达我们身边，而不受黑洞引力的极大限制。
在边界上，有一个区域，光不会落入黑洞，光在它周围旋转，它叫"光子球"。这个光子球是光到达我们的极限区域。
光子球的大小是事件视界的1.5倍（在无旋转黑洞的情况下）。
因此，我们称之为黑洞阴影的光环，在黑洞周围可见。
在EHT拍摄的图像中可见的"黑洞"周围呈环形发光的区域，比光子球更"外部"，因为它"可见"。
换句话说，乍一看，EHT拍摄的"黑洞"是事件视界，但往往被认为是黑洞本身。
质量是太阳65亿倍的黑洞
世界上第一个黑洞的阴影。这是第一次发现黑洞的"现实"，到目前为止，只有间接证明，但毕竟，黑洞是如何被发现的？
在研究黑洞时，我们只能知道三个信息：黑洞的质量、角动量和电荷。除此之外，不可能知道黑洞事件视界的内部信息，这称为黑洞无毛定理。
然而，即使黑洞带电，由于它迅速吸入具有相反电荷的等离子体而成为中性，黑洞的电荷被认为接近于零。
因此，黑洞的性质基本上只由两个参量决定：质量或角动量。
黑洞的大小取决于黑洞的质量，角动量告诉我们黑洞旋转了多少。
准确理解这些黑洞的"性质"，可以验证爱因斯坦的广义相对论，并理解黑洞本身。
在这次EHT观测中，科学家最了解的是黑洞的质量。
黑洞阴影的大小取决于黑洞的质量。 如果从地球看，距离相同，阴影直径越大，中心黑洞的质量就越大。
在EHT观测到的黑洞阴影的大小是40微秒角（每9000万分之一角）。就直径而言，大约1000亿公里。 根据地球到M87的距离约为5500万光年计算，这个中心黑洞的质量约是太阳的65亿倍。
黑洞的角动量
EHT项目的阿尔玛射电望远镜在智利阿塔卡马沙漠
要了解黑洞的角动量，就需要测量黑洞的旋转量。 黑洞的阴影形状随着黑洞的快速旋转而变形。 相反，根据黑洞阴影的失真程度，可以推断出黑洞的角动量。
然而，却存在一个问题。
从垂直于黑洞旋转轴的方向观察黑洞时，黑洞阴影的变形程度最大，但变形程度也仅仅为 5% 左右。
在EHT观测到的活动星系M87的图像被认为几乎从正上方（与黑洞旋转轴平行的方向）看到黑洞，因此黑洞的阴影似乎几乎没有变形，故而无法判断黑洞的角动量是多少，也就是无法判断黑洞的转速。
因此，黑洞里还有很多谜团等待着人类的探索。