我們會在有史以來第一張黑洞照片上看到些什么呢？

“視界望遠鏡”會呈現一個什么樣的黑洞？

“視界望遠鏡”拍到的照片會是這樣的嗎？Andrew Chael

人類可能很快就會第一次看到黑洞的真容。參與“視界望遠鏡”項目的科學家宣布將在4月10日發布一個“突破性成果”。人們期待這一成果已經有2年，而它也許就是一張黑洞的照片。

我們不知道4月10日究竟會看到怎樣一張照片。但科學家對于黑洞的外觀，其實已經有很多想法。天文學家多年來一直在用計算機，基于物理學定律和基本的假設，來模擬“奇點”附近的景象。黑洞的真容，或許會與這些模擬出來的景象之間存在一些關聯。

M87星系中心超大質量黑洞模擬圖。右圖可能會更接近于真實照片。Andrew Chael

這兩張圖片是哈佛大學天體物理學家Andrew Chael制作的。圖片模擬了M87星系中心的超大質量黑洞。左圖是模擬景觀，右圖同樣也是，但右圖加了更接近現實的考慮，還原了光線在真實的宇宙中被星際氣體、塵埃吸收和散射的必然命運。“視界望遠鏡”拍到的照片，可能會更接近右圖。

銀河系中心超大質量黑洞“人馬座A*”模擬圖。最左邊的圖是純粹的模擬，而另外三張加上了光線被散射后的效果。Astrophysical Journal

這一系列圖片，模擬的是銀河系中心超大質量黑洞“人馬座A*”。同樣，最左邊的圖片呈現的是未受星際介質影響的視覺效果，右側三張呈現了受塵埃散射后的效果。第三和第四張圖片呈現的，則是在特殊濾鏡協助下，塵埃散射效應被部分消除后的效果。

這些黑洞模擬圖中的亮環是黑洞的積吸盤。物質聚集在黑洞周圍，會以黑洞為中心，在黑洞的赤道面上，形成一個扁平的圓盤。這些物質會環繞黑洞運行，逐漸靠近黑洞，并在此過程中加速，直至變得極為明亮。

如果積吸盤側對著觀測者，或有一定的角度，那么它的一側會顯得較為明亮，另一側會較暗。原因就是這些物質的運動，會產生多普勒效應，導致積吸盤物質面朝觀測者方向運行而來的部分發出的光線波長被壓縮，頻率變高，展現在照片中，一般會顯得較為明亮；而背朝觀測者方向而去的部分發出的光線，波長會被拉長，頻率會變低，展現在照片中，會顯得較為昏暗。

照片正中的黑色空洞就是黑洞本人了。所謂的“奇點”就在這個空洞中。黑洞由于引力極大，因此其勢力范圍邊界以內的光線根本無法逃離。這個黑色空洞的邊界就是所謂的“視界”。

在我們看到的這些圖片中，最接近真實效果的，可能是那些沖擊力最小的版本。原因很簡單，因為這些黑洞距離我們太遠了。銀河系中心的黑洞距離我們有26000光年，M87中心的黑洞距離我們有5500萬光年。拍攝它們，相當于在地面拍攝月球上的一個蘋果。所幸由全球各地眾多望遠鏡聯合而成的“視界望遠鏡”，其相機的有效面積相當于我們行星的圓面。

但是即便如此，“視界望遠鏡”也只是剛剛足夠拍到這兩個黑洞。基于真實條件的模擬結果顯示“視界望遠鏡”拍到的可能只是一道模糊的光環。但對于科學家來說，即便是這樣的一張照片也足以令人興奮，因為這可能將是我們第一次看到黑洞的真容。事實上，直到今天，雖然黑洞是科幻作品、新聞報道中的網紅，但它實際上還只是一個理論假說。雖然LIGO已經通過引力波探測，感知到了黑洞的合并，但這與我們親眼看見一個黑洞并不是一回事。

“視界望遠鏡”的照片一旦公布，天文學家不但有機會比對他們的模擬與現實有多大差異，而且還將通過這張照片，獲得大量與奇點周圍極端引力環境物理學規律有關的無價數據。

模擬本身對于“視界望遠鏡”獲得最終的照片也非常重要。因為“視界望遠鏡”的各個天文臺并不能無縫地覆蓋全球，在數據中必定存在著不完善和空缺，以及不確定性。因此計算機模擬在這里可以起到一種指導作用，讓研究人員在處理一張從來沒有人見過的照片時，擁有最合理的預見性。