你可能看过这样一则电视广告:一名手机技术人员到偏远地区打电话，“你现在能听到我吗?”“想象一下这个技术人员旅行到我们的银河系中心，那里潜伏着一个巨大的黑洞，人马座a * (Sgr a *)，重达450万个太阳。当技术人员接近距离黑洞不到1000万公里的地方时，我们会听到他的节奏变慢，声音变深变弱，最后变成单调的低语，接收信号越来越弱。如果我们仔细观察，我们会看到他的图像变得越来越红，越来越模糊，因为他在黑洞边界附近被冻结了，这一边界被称为事件视界。
然而，技术人员自己却不会经历时间的减慢，也不会在视界的位置看到任何奇怪的东西。只有当他听到我们说:“不，我们听不太清楚!”“他没有办法和我们分享他最后的印象——没有任何东西，甚至是光，可以逃脱万有引力在视界内的极端拉力。他越过地平线一分钟后，洞里深处的地心引力就会把他撕成碎片。
在现实生活中，我们不能派技术人员去做这样的旅行。但是，天文学家们已经开发出技术，不久将首次允许他们在炽热发光气体的背景下拍摄黑洞的暗轮廓图像。
等等,你说。天文学家不是已经报告了很多关于黑洞的观测结果，包括各种各样的图片吗?这是真的，但这些图片是关于黑洞附近的气体或其他物质，而黑洞本身是一个看不见的斑点，或者是推测来自黑洞的巨大能量流出。事实上，我们甚至不确定黑洞是否真的存在(参见卡洛斯·巴塞罗(Carlos Barcelo)、斯特凡诺·利伯拉蒂(Stefano Liberati)、塞巴斯蒂安诺·索内戈(Sebastiano Sonego)和马特·维瑟(Matt Visser)的《黑星，不是黑洞》(black Stars, not holes)，见82页)。
天文学家已经在天空中发现了足够大、足够紧凑的物体，如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，那么这些物体一定是黑洞，习惯上把它们当作黑洞来讨论(就像我们在这篇文章中所做的那样)。但直到现在，我们还不能确定这些物体是否具有黑洞的定义特征——物质只能以一种方式流动的视界。这个问题不仅仅是一个深奥的好奇心问题，因为这样的视界是理论物理学中最深奥的谜题之一的核心。显示黑洞活动视界的黑色轮廓的图像将帮助我们理解在它们附近发生的非凡的天体物理过程。
开车的问题
事件视界之所以令人着迷，是因为它们代表了20世纪物理学两大成就之间的根本矛盾:量子力学和广义相对论。时间可逆性是物理系统量子力学描述的基本特征;每个量子过程都有一个逆过程，原则上，这个逆过程可以用来恢复任何原始过程可能扰乱的信息。相反，广义相对论——它解释了引力是由空间的曲率产生的，并预测了黑洞的存在——不允许逆过程把落入黑洞的东西带回来。
解决量子力学和万有引力之间不一致的需要，一直是弦理论学家寻求量子引力理论的主要动机之一。量子引力理论是一种根据量子力学定律预测引力特性的理论。
在更基本的层面上，物理学家们想知道爱因斯坦的广义相对论是否真的是万有引力理论，
杏耀客服q3451-8577 ，即使它预测了与经典牛顿理论(如事件视界的存在)的惊人偏差。黑洞有两个优点，一个是对应于爱因斯坦引力方程极其简单的解(一个黑洞完全由三个数字构成——它的质量、电荷和自旋)，另一个是引力与牛顿理论最不同的地方。因此，黑洞是寻找极端条件下偏离爱因斯坦方程的证据的最佳地点，这可能为量子引力理论提供线索。相反，这些方程在黑洞附近的成功将极大地扩展广义相对论的适用范围。
有关黑洞附近发生了什么的紧迫天体物理学问题也需要答案。黑洞是由气体和尘埃等物质流入的。当这种物质接近黑洞的地平线时，它会获得大量的能量，产生热量的效率是核聚变的20倍，核聚变是已知的第二强大的能量发生器。来自高温螺旋状气体的辐射使黑洞附近的环境成为宇宙中最明亮的物体。
天体物理学家可以在一定程度上模拟吸积物质，但目前尚不清楚吸积流中的气体是如何从大半径的轨道迁移到接近地平线的轨道上，以及它最终是如何精确地落入黑洞的。在吸积流中运动的带电粒子所产生的磁场，在吸积流的运动过程中起着非常重要的作用。然而，我们对这些场的结构以及这种结构如何影响黑洞观测到的特性知之甚少。虽然对整个吸积区域的计算机模拟正在变得可行，但我们理论学家距离真正的从头计算还有几十年的时间。来自观察的输入对于激发新想法和决定竞争模型是至关重要的。
更令天体物理学家尴尬的是，我们对黑洞喷射现象缺乏了解。在这种现象中，超大质量黑洞附近的力以超相对论速度(高达光速的99.98%)共同喷射出物质。这些惊人的流出物穿越的距离比星系还大，但它们起源于黑洞附近，因为强烈的光束经过足够紧密的准直，可以穿过太阳系——银河针眼。我们不知道是什么使这些喷射流加速到如此高的速度，甚至不知道这些喷射流是由什么构成的——它们是电子和质子还是电子和正电子，还是它们主要是电磁场?为了回答这些和其他问题，天文学家迫切需要直接观测黑洞附近的气体。
不幸的是，由于几个原因，这样的观察是困难的。首先，以任何天文标准来衡量，黑洞都是非常小的。它们似乎有两种主要的类型:恒星质量的黑洞，死亡的大质量恒星的残余，典型的质量是5到15个太阳，和超大质量的黑洞，位于星系的中心，有数百万到100亿个太阳。一个15倍太阳质量的黑洞的视界直径只有90公里——太小了，无法在星际距离上分辨。即使是一个10亿太阳的怪物也能轻松地进入海王星的轨道。
其次，黑洞体积小，引力大，运动速度极快——恒星质量的黑洞附近的物质可以在不到一毫秒的时间内完成一个轨道。只有高度灵敏的仪器才能观察到如此迅速的现象。最后，只有一小部分黑洞在附近有大量的气体可以被吸积;银河系中绝大多数的黑洞都还没有被发现。
为了应对这些挑战，天文学家们开发了各种各样的技术，除了提供直接图像外，还提供了关于在疑似黑洞附近轨道运行的物质的性质和行为的信息。例如，天文学家可以通过观察一个超大质量黑洞附近的恒星来测量它的重量，就像用行星的轨道来测量太阳的重量一样。在遥远的星系中，超大质量黑洞附近的单个恒星无法被分辨出来，但它们的光谱表明了它们的速度分布，这就为黑洞提供了质量。位于银河系中心的超大质量黑洞Sgr A*离我们很近，足以让望远镜分辨出它附近的个别恒星，产生迄今为止对任何黑洞的最佳质量估计(见右图)。不幸的是，这些恒星远远超出了我们最感兴趣的区域，在那里，广义相对论效应变得非常重要。
天文学家也在寻找广义相对论的特征，即黑洞附近的辐射随时间而变化。例如，一些恒星质量的黑洞的x射线辐射在光度上的波动几乎是周期性的，其周期与预期在吸积盘内缘附近的轨道的周期相似。
迄今为止，最有成果的探索超大质量黑洞的方法是利用吸积盘表面铁原子的荧光。携带铁原子的吸积盘的快速运动和黑洞的强大引力结合在一起，改变了荧光的特征波长，使其在一段波长范围内扩散。在快速旋转的黑洞附近，吸积盘自身的轨道运行速度更快(由于广义相对论效应，吸积盘的旋转会拖拽黑洞周围的空间)，而且辐射将有明显的不对称性。日本的ASCA和Suzaku卫星就观测到了这样的辐射，天文学家将其解释为黑洞快速旋转的直接证据，在吸积盘中，轨道速度高达光速的三分之一。
关于恒星质量的黑洞有多少自旋的信息来自于双星系统，在双星系统中，一个黑洞和一个普通的恒星相互环绕，距离足够近，黑洞可以慢慢地以它的同伴为食。对少数这类系统的x射线光谱和轨道参数的分析表明，对于具有一定质量的黑洞，这些黑洞的最大自旋是广义相对论所允许的最大自旋的65%到100%;非常高的旋转似乎是常态。
光(从无线电波到x射线)和高能喷流并不是黑洞唯一发出的东西。当两个黑洞碰撞时，它们会震动它们周围的时空结构，产生引力波，就像池塘里的涟漪一样向外传播。这些时空涟漪应该在很远的距离就能被探测到，尽管需要非常灵敏的仪器。尽管天文台已经开始工作，还没有探测到引力波，杏耀QQ但这种方法为研究黑洞提供了一种革命性的新方法。
可以看到风景的窗户
尽管提供了丰富的信息，但迄今为止我们所描述的技术没有一种能够提供黑洞视界的图像。然而，现在，由于最近的技术进步，直接成像黑洞的地平线是迫在眉睫的。要成像的黑洞是我们后院的庞然大物，Sgr A*。Sgr a *的距离只有24000光年，它占据了所有已知黑洞中天空中最大的圆盘。一个10倍太阳质量的黑洞只有距离最近恒星1/100的距离才会有这么大。尽管存在比Sgr A*大得多的超大质量黑洞，但它们离我们有数百万光年远。
由于黑洞的引力使光线发生弯曲，一个遥远的黑洞的黑色轮廓的明显大小增加了一倍多。即便如此，Sgr A*的地平线看起来也只有55微秒的跨度——从纽约市往下看，就像洛杉矶的一颗罂粟种子那么小。
所有现代望远镜的分辨率，尽管都令人印象深刻，但从根本上来说，都受到衍射的限制。衍射是一种波光学效应，当光通过望远镜的大小所提供的有限孔径时产生。通常，通过使望远镜变大或捕获较短波长的光，可以减少望远镜可分辨的最小角度尺度。在红外波段(很方便的是，它可以穿过在可见波段隐藏Sgr A*的尘雾)，55微弧秒的角度尺度需要一个7公里宽的望远镜。
可见光或紫外光的波长较短，将有助于在一定程度上减少这一庞大的需求，但还不足以减少荒谬的程度。考虑到更长的波长可能看起来像是无点的毫米无线电波，例如，需要一个5000公里宽的望远镜。但凑巧的是，地球大小的射电望远镜已经投入使用。
一种被称为甚长基线干涉测量(VLBI)的技术将散布在全球的射电望远镜阵列所探测到的信号结合起来，以达到地球大小的无线电碟所能达到的角度分辨率。两个这样的望远镜阵列已经运行了十多年——超长基线阵列(VLBA)，美国远在夏威夷和新罕布什尔，欧洲的VLBI网络(EVN)在中国、南非、波多黎各以及欧洲都有望远镜。你可能还记得在《接触》和《2010》等电影中看到过一个小得多的系统，即新墨西哥州的超大阵列。
不幸的是，VLBA和EVN只适用于3.5毫米以上的无线电波长，对应的分辨率最多为100微弧秒，这对于分辨Sgr A*的地平线来说太大了。此外，在这些波长处，星际气体使Sgr A*的图像变得模糊，就像浓雾使头顶上的街灯变得模糊一样。解决的办法是实现波长在毫米以下的干涉仪。
然而，这些短波长还存在另一个问题:被大气中的水蒸气吸收。因此，毫米和亚毫米望远镜被放置在最高、最干燥的地方，如夏威夷的莫纳克亚山、智利的阿塔卡马沙漠和南极洲。说到做到，两扇有用的窗户通常保持打开状态，分别为1.3毫米和0.87毫米。一个地球大小的阵列在这些波长将提供大约26和17微弧秒的分辨率，分别足以解决Sgr A*的地平线。
大量的毫米和亚毫米望远镜可以被整合到这样一个阵列中，这种阵列已经存在于夏威夷，散布在美国西南部，以及智利、墨西哥和欧洲。由于天文学家是为了其他目的而建造这些望远镜，因此将它们用于VLBI涉及到许多技术挑战，包括开发超低噪音的电子设备和超高带宽的数字记录器。
然而，由麻省理工学院的Sheperd S. Doeleman领导的一个合作项目在2008年解决了这些问题。该小组在亚利桑那州、加利福尼亚州和莫纳克亚山用三架望远镜对1.3毫米波长的Sgr A*进行了研究。如此少量的望远镜不足以产生图像，但研究人员成功地解决了Sgr a *的问题，因为他们的数据表明，它只有37微弧秒大小的明亮区域，是视界大小的三分之二。更多的望远镜将使拍摄活动视界的暗轮廓成为可能。它们共同组成了视界望远镜，上面提到的三个位置就是它的核心。
事件视界望远镜的观测已经使得Sgr A*没有视界变得极其困难。黑洞上的吸积和水平方向上的吸积在本质上是不同的。在这两种情况下，吸积物质在吸入过程中都会积累大量的能量。在没有视界的情况下，这种能量被转化为热量，在那里，吸积物质最终稳定下来，然后以辐射的形式释放出来，产生一种外部观察者可以看到的典型的热光谱。相比之下，对于黑洞来说，下落的物质可以携带任何数量的能量穿过视界，而这些能量将永远隐藏在黑洞中。
对于Sgr A*，我们可以利用它的总光度来估计吸积物质的注入速率。毫米波vlbi观测对吸积流的内缘的最大可能大小，以及在吸积流下降到那一点时释放的能量有严格的限制。如果Sgr A*没有视界(所以不是黑洞)，当吸积物质静止时，多余的能量必须被辐射，主要以红外线发射。尽管进行了仔细的观察，天文学家还没有发现任何来自Sgr A*的热红外辐射。要想在没有视界的情况下调和这种差异，唯一的方法是让材料在向内垂直下落的过程中释放出所有多余的能量，但这需要荒谬的高辐射效率。
怪物肖像
我们，在其他理论家中，一直忙于分析第一次对Sgr A*的视界望远镜观测，识别其基本性质的线索。一般来说，黑洞会在附近的吸积气体排放的墙纸上投射出轮廓。这种“阴影”的产生是因为黑洞吞噬了从它后面射向观察者的光线。与此同时，“阴影”周围的明亮区域被黑洞后面的其他光波所补充，这些光波刚好错过了地平线。强大的引力透镜效应会使光线发生弯曲，因此即使是黑洞后面的物质也会对黑暗区域周围的光线产生影响。由此产生的剪影就是所谓的“黑洞肖像”，即黑洞真正是黑色的合适图片。
这个影子不会是一个圆盘，主要是因为气体的极端轨道速度，接近光速。排放从这种快速移动的问题,集中在一个狭窄的锥将因都卜勒频移的方向运动,这大大照亮的排放从接近轨道气体和dim后退,产生一个明亮的新月而不是一个完整的,明亮的环围绕的盘状轮廓。只有当我们沿着圆盘的旋转轴观察时，这种不对称性才会消失。
黑洞本身的旋转，可能与吸积盘的旋转轴不同，也有类似的效果。因此，这样的图像将使天文学家能够确定黑洞旋转的方向和吸积盘相对于它的倾斜度。对天体物理学同样重要的是，这些数据将为吸积理论提供宝贵的观测输入，一劳永逸地确定气体的密度和吸积流内沿的几何形状。
其他超大质量黑洞也应该在VLBI的范围内，可以与Sgr A*相比较。几年前，我们证明了第二个最佳目标是位于巨型椭圆星系M87中心的黑洞。这个黑洞距离我们5500万光年远，据估计它的质量大约是66亿个太阳，这使得它的轮廓可以和Sgr A*的大小相媲美。
在许多方面，M87是一个比Sgr a *更有趣和更有前途的目标。它有一个延伸5000光年的充满活力的喷流;解决喷气发射区将为理论学家了解这些超相对论性外流提供重要信息。与Sgr A*不同的是，M87位于北半球的天空中，这使得它更适合使用现有的VLBI天文台，而这些天文台相对较少位于南半球。此外，杏耀联系由于M87黑洞的大小是Sgr A*的2000倍，动态变化将在天而不是分钟的时间尺度上发生，因此获得展开事件的序列图像应该会容易得多。(M87吸积盘内缘附近的轨道周期为0.5至5周，视黑洞的旋转而定。)最后，高分辨率的图像很可能不会像我们和Sgr A*之间的星际气体所造成的那种模糊。2012年底发布的关于M87的最新VLBI数据已经表明，该喷气机的底部非常紧凑(只有40微弧秒的宽度)，以至于它可能起源于一个旋转的黑洞。这是第一个证明喷流产生和黑洞自旋相关的经验证据，这是在理论基础上一直被怀疑的事情。
对于Sgr A*和M87来说，从长远来看，一个令人兴奋的前景将是成像的可能性，在它们的发射中不时可以看到这种可能性。如果其中一些耀斑是由吸积流中的亮点引起的，就像大多数理论家所预期的那样，它们可以被用来更详细地描绘出视界周围的时空。每个点的主图像都将伴随着额外的图像，这些图像对应的光线通过环绕孔的迂回路径到达观测者(见左侧的方框)。这些高阶图像的形状和位置编码了黑洞附近的时空结构。实际上，它们将在每幅图像的光束束所经过的不同位置上，提供对该结构的独立测量。综上所述，这些数据将严格检验广义相对论对黑洞附近强引力行为的预测。
黑洞观测正在进入一个新的黄金时代。在爱因斯坦提出广义相对论近一个世纪后，我们终于能够检验这个理论是否正确地描述了黑洞极端环境下的引力。对黑洞的直接成像将为比较爱因斯坦理论及其替代理论提供一个新的实验平台。当Sgr A*和M87的图像可用时，我们将能够详细研究黑洞附近的时空，而不需要牺牲手机技术人员。
