为什么黑洞会有照片呢？ 第1页

简单来说，能给黑洞拍照片是因为吸积盘。

这就是人类第一张黑洞照片，来自M78……不对，是M87星系。实际上，M87中心黑洞位于图中亮环中心的黑色圆状区域，毕竟是“黑”洞嘛，而周围的亮环就是M87中心黑洞的吸积盘。由于多普勒效应，圆环并不对称，更亮的部分的等离子体速度朝向我们。

由于黑洞引力巨大，会俘获其周围的等离子体，这些被俘获的物质只有少部分会落入黑洞视界，大部分由于自身存在角动量，且距离黑洞较远，最终会围绕黑洞旋转，形成吸积盘。吸积盘内的物质会不断摩擦，导致吸积盘温度上升，使俘获的一部分物质势能转化为热能辐射出去，从而可以被我们观察到。因此，虽然我们看不到黑洞，但我们可以看到吸积盘。

实际上，吸积盘一直都是我们观察黑洞的重要证据之一，除此之外，我们也有其他间接证据：

1. 观察其周围恒星的运动，即引力的情况；
2. 观察引力波，即黑洞的形成及运行造成的时空涟漪；
3. 观察喷流。

像本次拍摄的“模特”，M87中心黑洞早先就被观察到有喷流现象。关于喷流产生的机制仍不清楚，目前的猜想是被黑洞俘获的等离子的磁场随等离子体向黑洞旋转靠近，形成螺旋结构，一些未坠入黑洞的等离子体有可能顺着磁力线改变方向离开黑洞，并被磁场准直加速，形成高速等离子流，从黑洞附近喷射而出。

这次能够直接“拍摄”到照片是因为我们利用甚长基线干涉测量技术，将位于全球各处的8座射电望远镜，组合起来形成了一座相当于地球大小的虚拟射电望远镜，分辨率达到了20微角秒，因此成功拍摄到了这张照片。而到目前为止，两个黑洞视界分辨率最高的天体就是银河系中心黑洞和M87中心黑洞，其黑洞视界角大小分别约为7微角秒和10微角秒，后者就是今天的主角，照片中的亮环大小约为40微角秒，因此，这张照片非常难得。

参考文献：

[1]吴庆文.首张黑洞照片诞生——谈黑洞的前生今世[J].自然杂志,2019,41(03):157-167.

[2]左文文.认识黑洞的首个直接“视觉”证据[J].物理,2019,48(05):277-283.

题目谈到的“黑洞照片”是用人可以看到的颜色表示的亚毫米波信号图，其光亮部分并不是黑洞本身或其吸积盘的影像，而是黑洞周围物质（吸积盘、射流）发出的光子在黑洞引力影响下的分布状况，受黑洞旋转和观察角度的影响远大于发光物体本身的旋转。在接近俯视的时候，主要的光来自黑洞背面的射流（发布照片的直播上已经有示意动画展示）。数学计算可以参照这篇论文。

顺便说，这张照片的主角是光中间黑色的影像，黑洞事件视界的阴影。它并不是事件视界本身。

• 称之为“黑洞阴影”在一定程度上突出了这阴影的特异性，但并没有将阴影的由来讲得更清楚。这阴影不是“对着你的事件视界的这一面”，而是同时看到事件视界的所有面，近乎无限次。

物理上的推导可以参照 Veritasium 在黑洞照片发布前发布的视频^[1]：

黑洞周围的气体、吸积盘、相对论性喷流可以发出电磁波，并在黑洞的影响下呈现特定的模式。这是 M87 在可见光下的样子：

2.为什么会有吸积盘

吸积盘是角动量守恒的产物，不限于黑洞，落入大质量物体引力场的气体都会形成此类盘状结构。太阳系今天的构造也是原始星云在引力坍缩过程中围绕质心旋转，上下的动量互相抵消而逐渐扁平化的结果。

关于黑洞旋转的力学可以看这里：

2011 年，哈勃望远镜第一次借助引力透镜拍摄到吸积盘。类星体的吸积盘通常有 1000 亿千米的直径。

参考

1. ^ https://www.youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo