黑洞究竟是什么？

首先我們來看一下第一個問題：黑洞是什么？說起黑洞，你腦海中浮現的也許是科幻電影里，那個吞噬一切的黑色漩渦。這個想象其實并不離譜——黑洞確實可以理解為一個引力極其強大的“無底洞”，任何東西一旦掉進去，哪怕是光，也休想逃脫。那么，黑洞在科學上到底是怎么定義的呢？簡單來說，黑洞是由極其致密的物質形成的天體，它的引力強大到在某個范圍內連光都逃不出來。這個范圍的邊界有個專門的名字，叫“事件視界”，英文是event horizon。你可以把它想象成黑洞的“一去不返門檻”——一旦跨過這道門檻，外界就再也看不見你了，你也不可能返回。
黑洞這個概念，其實來自愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論。廣義相對論告訴我們一個顛覆常識的道理：質量會扭曲周圍的時空。你可以想象在一張繃緊的橡皮膜上放一顆保齡球，膜面會凹陷下去。質量越大的天體，就像越重的球，把時空“壓”得越深。愛因斯坦的方程預言了許多奇妙的現象，其中最極端的就是黑洞。1916年，德國物理學家卡爾·施瓦西在愛因斯坦的方程中找到了一個解：當物質密度達到某個臨界值時，時空會塌陷成一個“奇點”，也就是密度無限大的點，并包圍著一個視界邊界。這個理論上的奇異解，基本就是“黑洞”的雛形。
但是，這個結果在當時太超出常理了，幾乎沒有科學家相信黑洞真的會存在。連愛因斯坦本人都覺得，大自然不可能允許這么怪異的東西存在。他在1939年還發表論文，斷言黑洞不可能在現實中出現，它只是數學上的理想化情形。想想也是，一個連光都逃不出的無底深淵，聽起來確實太荒誕了。巧合的是，同年奧本海默與斯奈德發表文章，首次明確描述了引力坍縮形成“黑洞”的過程。也就是說，在同一年，愛因斯坦和奧本海默得出了相反的結論。不過無論如何，在最初的幾十年里，黑洞一直只是理論上的產物，沒人把它當作真實的天體來研究。
既然黑洞看不見，科學家們是怎么證明它真的存在的呢？這就像偵探破案一樣，得從蛛絲馬跡中找證據。咱們剛才提到，愛因斯坦的理論預言了黑洞，但連他自己都不相信。這種懷疑在20世紀上半葉很普遍。轉機出現在1960年代。人類終于在觀測中看到了黑洞存在的第一批線索。

1963年，天文學家發現了“類星體”——一種遙遠而極其明亮的天體，它們亮得不可思議，能量之大遠超想象。科學家們想來想去，唯一合理的解釋就是：有一個超大質量的黑洞在那里釋放出巨大的引力能，吞噬物質，從而形成了我們看到的亮斑。差不多同時，在我們銀河系內也發現了奇怪的X射線信號。1964年，科學家找到了第一個宇宙X射線源“天鵝座X-1”。這個信號來自哪里呢？來自一個看不見的致密天體和一顆大質量恒星組成的雙星系統，這個系統里，那顆明亮的恒星在圍繞著一個隱形的“伙伴”旋轉，這個隱形的伙伴不斷吸積著恒星的氣體，還射出強烈的X射線。經過分析，科學家們幾乎可以確定：這個隱形的伙伴就是黑洞。這是人類第一次在銀河系中找到黑洞的候選者。
有意思的是，當時著名的科學家霍金和基普·索恩還為此打了個賭：霍金不相信它是黑洞，索恩則堅信無疑。幾年后，越來越多的證據支持黑洞的說法，霍金只好認輸。這個小插曲也反映了那個時代科學界的心態：黑洞的存在曾經讓人將信將疑，但證據正一點點把它推向現實。
順便說一下，我和我的合作者在幾年前測量了這個黑洞的質量，發現它大約是太陽質量的20多倍，進一步確認了它確實是個黑洞。隨著證據越來越多，科學界開始認真對待黑洞這個概念。黑洞研究逐漸從邊緣走向前沿，成為物理學和天文學的熱門課題。在這個過程中，最傳奇的人物當數霍金。他不僅證明了黑洞奇點必然存在，還在1974年提出了一個驚人的預言：黑洞會通過“霍金輻射”緩慢失去質量，直至最終蒸發消失。這個預言把引力理論和量子理論聯系起來，也引出了著名的“黑洞信息悖論”——這個我們待會兒再詳細聊。
不過，盡管科學界逐漸接受了黑洞的存在，但一直沒人真正捕捉到過黑洞。道理很簡單，畢竟黑洞本身不發光，你用普通望遠鏡只能看到黑漆漆一片。那有沒有別的辦法直接捕捉到黑洞呢？21世紀初，人類終于等來了全新的觀測手段。2015年9月，激光干涉引力波天文臺LIGO做了件了不起的事：它捕捉到了兩個黑洞撞擊合并時產生的引力波信號。這是人類第一次直接“聽見”黑洞，用引力的方式確認了黑洞的存在。
既然能“聽”到黑洞了，人類自然想進一步“看”到黑洞。于是，就有了我們接下來要聊的故事，也就是黑洞的照片是怎么拍攝出來的。