揭开黑洞的神秘面纱
时间：2021-01-09 00:00:23 来源：达达文档网 本文已影响 人 
邱雨
2019年4月10日，是个将被栽入史册的日子，在这一天，我们见证了人类历史上第一张黑洞照片的诞生.至此.一个长久以来只存在于科學研究的公式和文学艺术作品的想象中的物体，终于被揭开了神秘的面纱，
对黑洞研究的历程
黑洞的研究经历了一个漫长的历史过程.
1666年.英国科学家牛顿提出万有引力定律，从此人类对物质世界有了崭新的认识，也为对黑洞的研究提供了理论基础.
1783年，英国天文学家米歇尔提出，可能存在质量比太阳更大的恒星，质量大到其逃逸速度超过光速.光都无法从这种恒星的引力中逃脱.并将其称作“暗星”.
1795年.法国科学家拉普拉斯根据牛顿万有引力理论计算出.如果物体的半径被压缩到足够小.它的逃逸速度将超过光速.
1915年.爱因斯坦在狭义相对论和四维时空几何基础上.提出真正“预见”黑洞的广义相对论.颠覆了人类对时空本质的认知.广义相对论中有很多重要的预言，在当时都让人难以置信.爱因斯坦列出了爱因斯坦场方程，可以直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲，以至于连光都无法逸出，但爱因斯坦场方程在最初发布时只有近似解.20天后.一位名叫史瓦西的炮兵中尉在炮火连天的德军东线阵地给出了这个方程的精确解，解决了这项世界级物理难题.
而后的几十年内.我们所熟知的科学家霍金对这个解进行了探索，他在爱因斯坦的广义相对论基础上.又引入了量子场论，通过量子场论的分析，霍金对黑洞的性质有了更加详细的描述.他提出了“黑洞是时空的扭曲者”的观点.
什么是黑洞
黑洞是在宇宙空间中存在的一种天体，它有三个重要特性——质量足够大.体积足够小.光无法从中逃脱.
在本刊2019年第6期《看封面》栏目《恒星故事》一文中我们对恒星做了详细介绍，在宇宙中，恒星并不能永恒存在，它也会面临死亡的时刻.当某些质量是太阳的几倍到几十倍的大质量恒星由于燃烧殆尽面临死亡时，恒星本身就会迅速向内部塌陷，大质量恒星在坍缩过程中，大量物质开始向中心汇聚，伴随着坍缩过程的加剧，大量粒子被压缩在一起，电子和质子碰撞，就会发生爆炸.形成不带电荷的中子，
如果这个恒星质量不是特别大，那么至此它就彻底步入死亡，但如果这个恒星质量特别大，向内挤压的过程持续下去，中子会被挤压、变形，然后粉碎，变成目前我们所知道的最小物质——夸克，这个过程继续持续下去，死亡的恒星就会在质量不变的基础上.体积持续变小.当恒星的体积坍缩到足够小时.黑洞就诞生了.
根据科学家推断，一颗太阳大小的恒星，如果坍缩成黑洞，大概只有一个乒乓球那么大.不过，由于太阳的质量太小，它最终无法变成黑洞.
黑洞与时空
黑洞最令人着迷的地方，就是它具有扭曲时空的能力，根据现代物理学理论.一个拥有大质量的物体会造成周围时空弯曲.黑洞就是这样的物体.黑洞的外界有一个称为“视界”的圆圈，任何物体（包括速度最快的光）一旦进入视界范围内，就再也逃离不了黑洞，最终它的结局一定是撞到黑洞的中心点——“奇点”.假如一个物体匀速向黑洞中心移动，外界观察物体移动的过程.就会发现物体移动的速度越来越慢，最终当物体接近“奇点”的时候.外界就会发现它静止不动了.即当物体接近黑洞的时候，时间会变慢，这就是引力造成的时间变慢效应.
如果有幸能进入黑洞内部.将能体验到时空交换.黑洞之外（也包括我们目前所在的空间），时间是单向的，即我们只能随着时间的流逝走向未来.却不能逆着时间的轨迹回到过去：但空间是双向的，即我们可以向前运动，也可以往后运动.但是进入黑洞后，时空将发生互换.在这里，时间就变成双向的，我们既可以走向未来，也可以回到过去;但空间是单向的，我们不能往后走，只能向“奇点”靠近.这种奇妙的景象是难以用语言文字确切描述的，
来之不易的黑漏照片
近百年来，科学家们一直努力搜寻黑洞的踪影.但是它就像一个传说，人人都听说过却未曾有人亲眼看到过，黑洞是否真的存在，始终是个谜.直到2019年4月10日，人们终于捕捉到黑洞的影像.
为了完成这个目标.科学家们通过协调全球多地的8个亚毫米射电望远镜.构建了一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜，向银河系中心和位于星系M87中心的两个黑洞目标展开观测活动，这就是“事件视界望远镜”项目.
给黑洞拍照的难度极高.需要获取大量的样本数据.8个射电望远镜的位置随着地球自转而改变.给了科学家们从不同角度获取样本的机会，但仅靠这些还远远不够，另外还需要特定的算法来生成图片.去填满未能获取样本的地方，最终模拟出黑洞图片.为了保证8个望远镜都能在最高的灵敏度和最大的空间分辨率条件下观测这两个黑洞.每年仅有10天处于符合的观测时间段.在每一个观测中心，科学家们都会利用原子钟协调观测时间.对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘.以便观测结束之后进行整合.
黑洞照片“拍”起来难.“洗”出来更难.据悉.2017年4月份的5个观测日中.8个天文台站在5天观测期间共记录约3 500 TB数据，每个台站的数据率达到惊人的32 G/s.面对如此庞大的数据量，从拍摄完成，并完成所有图片数据的分析、整合，到最终的发布，科学家们用了2年时间.其间他们不断探索最合理的算法，同时为了确保结果的准确性，需要不同的团队分别计算.再找到统一的答案.
感谢200多位科学家的共同努力，才揭开了黑洞的神秘面纱，让我们看到了第一张黑洞照片.黑洞的顺利成像.并非“事件视界望远镜”项目的终点.而是代表着一个新的起点.我们完全有理由相信.在不久的将来，我们会看到更多更清晰的黑洞照片，进而在宇宙探索的路上迈上新征程，
责任编辑 林洋
