黑洞照片确实是黑洞真实存在的视觉证据，但又不是在可见光下的样子，它们是由虚拟口径可达地球直径大小的“事件视界望远镜”在230 GHz的射电波段上拍摄到的。观测到的数据经过计算机分析、处理、合成，最终才能成为人们所看到的黑洞照片。因此，我说这些照片是真实的，但并不是人眼直接能看到的那种真实。
我所在的国际研究团队聚焦非热辐射对黑洞阴影的影响联合开展研究。具有连光都无法逃逸的极端引力环境的黑洞是我们研究物理规律的太空实验室，而揭开黑洞照片背后对应的物理机制则是我们工作孜孜不倦的使命追求。
近日，研究成果以论文的形式发表在国际天文学权威期刊《天文学与天体物理学》（A&A），题为《在双温广义相对论磁流体力学模拟下考虑非热辐射对M87*黑洞阴影及喷流图像的影响》。（相关研究成果请见《》）作为这篇文章的第一作者，我很高兴能有机会和大家谈谈黑洞照片背后的故事以及我们这项新研究工作的意义。
本人才学疏浅，疏漏在所难免，请读者批评指正。部分图片来源网络，侵删。
黑洞照片，并不是可见光下的样子
这些隐藏在众星之间闪耀得怪异的黑洞，好似躲藏在干草中的珩鸟；它们低频的射电辐射混淆在星光中，一如珩鸟的歌声藏在风里。
黑洞照片如今已经成为“全球网红”。事件视界望远镜的不断壮大和技术革新将使得科学家可以分享更多引人注目的照片，未来还有望为黑洞拍摄动态的电影。
图：事件视界望远镜合作组发布的2017年4月拍摄的M87*照片和2018年4月拍摄的新照片。新照片最亮的部分相较于2017年的结果沿逆时针偏转了约30度，这可能是由于周围湍流物质变化引起的。两张照片的高度一致性有力地证实了此前“看到”的确实是黑洞阴影以及它周围高速绕转的物质。（来源：事件视界望远镜合作组）
如果将照片是否“真实”定义为是否可被人类肉眼所见，那么这里的黑洞照片自然不是“真实”的。
首先可以明确一点，所谓“黑洞照片”并不是黑洞在可见光下的样子，而是把射电数据用自然颜色标记后的结果。诸如星系、恒星这样的天体，如果你看到的是它们在可见光波段的照片，那么它们的颜色就可能是“真实”的。
可见光只是电磁波谱中的一小区域
根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电（波长大于1 mm）、红外、光学、紫外、X射线和γ射线等波段。人类大脑向你展示的世界的仅仅是可见光下的世界，而这并不是世界的全部面目。
图：各个波段的电磁辐射（来源：网络）
夜间人的视力比较差，但一些蛇类却拥有可以在夜间捕猎的红外线传感器；仅仅是同一束花朵，我们熟知它在我们眼中的样子，但对于能够看到紫外线的蜜蜂来说，它们却能够感知到我们无法感知的花朵上的蜜源标记；虽然你看不到手机收发射电信号的传播过程，但你却可以熟练地用它上网甚至可以看到未曾相识的作者写的本文。
类似地，不同波段的望远镜所看到的同一天体的图像也略有不同。蟹状星云是位于金牛座的著名的超新星遗迹，它的历史可以追溯到《宋史》记载的1054年观测到的超新星爆发事件。下图展示了射电、光学、X射线波段和多波段下的蟹状星云的图像。
图：射电（a）、光学（b）、X射线波段（d）以及多波段（c）下的蟹状星云。（来源：见图注）
理解可见光和射电波段的概念后，让我们把目光转回黑洞照片。黑洞照片所包含的是射电波段的黑洞阴影以及它周围高速绕转的物质，而不是拥有事件视界的黑洞本身。
黑洞区别于其他天体而存在最重要的一个特征是它有事件视界。穿过事件视界坠入黑洞的光和物质无法逃脱，因此我们无法看到黑洞自身。
然而，如果黑洞“穿戴”周围物质形成的吸积盘，也就是内有吸积流的转动气体盘，落向黑洞的物质被加热并开始发光，引力能转化为电磁辐射，我们就能“看见”黑洞阴影，也就是事件视界周围的不稳定光域的剪影：黑洞背面的光线被黑洞吞噬留下阴影，而擦事件视界而过的光线在引力透镜的作用下照亮阴影周围的区域，于是黑洞就在气体吸积辐射背景下投下了剪影。
对于黑洞阴影的研究，有助于人们了解黑洞的质量、朝向和自旋等信息，对广义相对论进行检验。
如何理解黑洞照片背后的物理机制？
备注：你如果对黑洞照片背后的原理比较感兴趣，可看这段，如果头大了，请跳过。
数值模拟有助于我们了解黑洞阴影背后蕴含的物理机制。通过广义相对论磁流体力学模拟和广义相对论辐射转移计算可以获得理论预言的黑洞照片，而观测图像为理论预言提供参照，将二者对比便可以得知物理模型是否正确。
获取电子的温度和速度分布是模拟中最重要的问题之一。电子绕磁力线旋转而发出同步辐射被认为是黑洞阴影的辐射来源。同步辐射功率与电子速度分布有关，而温度是分布函数中的重要参数。
从微观上来看，单个电子的速度会与其他电子碰撞而不断变化，但当一个系统达到平衡时，处于给定速度范围内的电子所占比例几乎不变，电子处于局域热平衡状态。当电子速度未达到相对论极限时，描述这样的速度分布的函数被称为麦克斯韦-玻尔兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布，而相对论形式的分布为麦克斯韦-尤特纳（Maxwell-Jüttner）分布。在黑洞周围极端环境中，磁重联、湍流等都可能对电子产生加速，使其偏离麦克斯韦-尤特纳分布。
我们这次研究究竟有什么发现？
备注：你如果对我们的研究比较感兴趣，可看这段，如果头大了，请跳过。
我们利用计算了气体温度和电子温度（即论文标题中“双温”）的GRMHD模拟数据，使用κ分布来描述电子的速度分布，进行了GRRT计算，比较了不同电子加热方式、电子分布函数、不同倾角、不同自旋和不同频率下的M87*黑洞阴影的图像。
结果表明，黑洞的特征与电子分布函数、电子加热机制、电磁辐射（射电）频率、磁化区域都有关系。在强磁化区域中，通过磁重联方式，电子被加热，我们将可能观察到更强的朝向我们的喷流。并且，随着观测频率的降低，喷流占辐射总量的比重变得更大，也对应着更多的非热电子辐射。这一发现为研究黑洞特征补充了一条重要的思路。假如未来我们建立起空间VLBI（甚长基线射电干涉测量）阵列，就有可能把接近黑洞阴影的喷流“看”得更清楚。
图：前两行为230 GHz下Rh=1模型和湍流模型模拟的M87*黑洞图像。后三行分别为为230 GHz、86 GHz和43 GHz下磁重联模型模拟的M87*黑洞图像（来源：Zhang et al. 2024)
躲在气体和尘埃背后的巨型黑洞
图：银河拱桥（来源：本文作者）
夜幕降临，银河拱桥从东方群山中升起。银拱右下角是壮丽的银心，而横贯夜空的银河尘埃带挡住了绝大部分来自银心区域的可见光。
银心里面有什么？1933年，贝尔实验室的卡尔·古特·央斯基发现银河中心在持续发射无线电波，自此创立的射电天文学，突破了可见光的束缚，成为人类新的“眼睛”。借助这一新的“眼睛”，除了M87星系中央黑洞（M87*）黑洞照片外，事件视界望远镜合作组还于2022年公布了银河系中心黑洞Sgr A*（Sagittarius A*，人马座A*）的照片。
类似地，这一照片同样不是在可见光下的样子，我们无法看见，但射电望远镜可以看见。
图：银河系中心黑洞照片。（来源：事件视界望远镜合作组）
我们虽然无法看见射电波段的黑洞，但依旧可以体验星空和物理学的魅力。当你站在光污染很少的夏季无月晴夜之下，身后是“白色”群星映出的人影。抬头望去，北斗七星、牛郎织女天津四、海豚座、银河尘埃带将成为你星辰航海时迷雾中的灯塔。
你也许会疑惑，为什么我们肉眼看见夜空中缀满的繁星几乎都是白色，而不似相机图片那样绚丽多彩？那是因为在暗夜中，人眼视杆细胞起主要作用，但是它对色彩并不敏感。
当然，细心的观察者仍有可能一睹如彩虹般呈现不同色彩的夜空。无论如何，你知道多彩的世界就在你眼前，躲藏在银心尘埃带背后还有一个持续发射无线电波的黑洞。浩瀚无垠的宇宙大门永远为你敞开。
夜空，就像亚哈船长的大白鲸一样，在苍白中遮掩自身的浩瀚，把所有寻找它的人拖入了黑色的深渊。