2019年4月10日，在智利圣地亚哥，事件视界望远镜项目召开新闻发布会，发布他们拍到的第一张黑洞照片

文/杨隽 苟利军

编辑/吴美娜

　　黑洞一直是天文研究的热门话题之一，2023年，预印本网站arXiv发布了约700篇有关黑洞的研究成果。进入2024年，有关黑洞研究的最新进展接连出现，人类对黑洞的探索似乎进入一个快车道。

　　但这一领域取得突破性成果非常困难。那么，有关黑洞的研究，难在哪里？最新的科学进展是什么？它们将如何改变我们对宇宙的基本认知？

看不见的神秘天体

　　黑洞的核心特征之一是它们的不可见性。由于黑洞自身并不发射或反射任何形式的电磁辐射，因此无法通过常规的电磁波探测手段进行直接成像观测。这一现象源于黑洞极端的引力强度，以至于连光子也无法逃离其视界。

　　尽管如此，由于黑洞周围环境会受到引力场的显著影响，黑洞由此能被间接探测到。黑洞利用其强大的引力吸引周围的气体、尘埃等物质，使其聚集并形成吸积盘结构。在这个吸积盘中，物质逐渐靠拢黑洞，伴随着大量的引力势能的释放，将会产生高能辐射。

　　根据黑洞质量，黑洞通常可分为三大类：恒星质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星质量黑洞通常由大质量恒星晚期坍缩形成，质量范围在几个太阳质量至几十个太阳质量不等；恒星质量黑洞通过合并然后再通过吸积就可以形成中等质量黑洞；而超大质量黑洞的质量通常为一百万至数十亿倍太阳质量，有可能是气体直接坍缩形成几万或者几十万倍太阳质量的中等质量黑洞，也可能是通过恒星质量黑洞合并成中等质量黑洞，然后再通过吸积气体形成超大质量黑洞。

　　通过电磁波方式，目前已经探测到恒星质量黑洞和超大质量黑洞；对于中等质量黑洞，缺少电磁波观测数据的支持。不过，随着引力波探测技术的飞速发展，对中等质量黑洞的研究迎来了新的曙光。

引力波探测进展

　　2015年9月14日，人类首次实现了对引力波的直接探测，这一里程碑式的突破开启了天文学研究的多信使时代。分析结果显示，探测到的引力波信号源自距离地球约13亿光年的一次双黑洞并合事件，两个黑洞的质量均接近30倍太阳质量。这次探测由美国激光干涉引力波天文台（LIGO）完成，该团队核心成员于2017年荣获诺贝尔物理学奖。

　　2019年5月21日，LIGO又取得一项里程碑式的发现，成功探测到了一个双黑洞并合事件，两个黑洞的质量分别为85倍和66倍太阳质量，最终形成了一个约为142倍太阳质量的新黑洞。这次探测不仅明确证实了中等质量黑洞的存在，也充分展示了引力波探测搜寻此类黑洞的强大潜力。

　　截至2024年1月底，引力波观测合作组织顺利完成了第四阶段探测任务上半段的工作。人类探测到的引力波事件目前已超过200个。这些观测数据极大丰富了我们对黑洞的认知。

　　引力波频谱涵盖广泛，纳赫兹引力波位于这一频谱的低频区域，波长达到数光年，这使得对其进行探测非常具有挑战性。目前，脉冲星测时阵列是利用孤立毫秒脉冲星来探测纳赫兹引力波的有效方式。毫秒脉冲星信号具有极强的周期性，当有引力波经过时，会对脉冲星的信号到达时间产生扰动。

　　中国脉冲星测时阵列研究团队利用“中国天眼”FAST对57颗毫秒脉冲星持续三年多的监测数据，成功找寻到了纳赫兹引力波存在的关键证据，其置信度达到了4.6σ（误报率低至五十万分之一）。这项关于纳赫兹引力波的重要突破被美国《科学》杂志评选为2023年度十大科学进展之一，标志着中国在纳赫兹引力波探测领域的研究取得世界领先的成就。

2023年7月26日拍摄的“中国天眼”全景（维护保养期间无人机拍摄）

　　相较地面探测引力波的装置，欧洲空间局（ESA）提出了空间激光干涉仪（LISA）计划。预计在2030年代中期，LISA任务将发射三颗卫星进入太空，形成一个边长达250万公里的巨大等边三角形阵列。非常类似于LISA项目，中国也有“天琴计划”和“太极计划”，但边长稍有差别。这些空间装置都是利用激光干涉原理，通过精确测量因引力波经过而引起的微小距离变化，有望测量振幅、方向及偏振等关键信息，进而探测到超大质量黑洞并合事件、银河系内部超致密双星系统、极端质量比双星旋进等现象。这些计划无疑将进一步拓宽我们对黑洞的理解。

黑洞影像新进展

　　对黑洞直接成像也是一种前沿的黑洞研究手段。2019年，事件视界望远镜（EHT）组织公布了首张黑洞影像，即位于M87星系中心的超大质量黑洞影像。

　　2023年4月，研究团队利用主成分干涉建模算法（PRIMO），发布了重建后的M87黑洞照片，相比之下，黑洞周围的吸积盘变得更为纤细，使照片分辨率得到显著提升，这对精确测定黑洞的质量具有关键作用。

　　这之后不久，中国科学院上海天文台研究人员及其团队发布了他们基于M87黑洞照片的全景照。他们基于2018年EHT于3.5毫米波长对M87黑洞进行的观测数据，进一步解析了M87黑洞的特征结构，对其阴影、吸积盘和相对论性喷流进行详细成像，绘制出一幅黑洞“全景照”，揭示了M87致密射电核心的清晰图像，这项成果于2023年4月发表在英国《自然》杂志上。该图像展示了一个直径为8.4倍史瓦西半径的环状结构，其尺寸比先前1.3毫米波长下观测到的环增大了约50%，并清晰显示了环的外缘部分。

　　今年1月，EHT组织发布了M87黑洞的最新照片，这张照片是基于2018年EHT于1.3毫米的观测数据得到的。这张新照片显示的明亮光环与初次发布的照片相似，其直径测量结果高度一致，这与广义相对论预测的该黑洞视界尺度在长时间内保持相对恒定相吻合。不过，图片中最亮的区域旋转了约30度，这一现象证实了黑洞周围湍动物质的可变性，且与广义相对论磁流体动力学模拟预期相符。在EHT基础上，研究人员正在推进下一代事件视界望远镜（ngEHT）项目的建设。

最远黑洞纪录不断刷新

　　随着韦布空间望远镜不断带来新的观测数据，科学家们得以发现越来越遥远的黑洞。2023年3月，韦布空间望远镜观测到了当时已知最远的黑洞——CEERS 1019，质量为1000万倍太阳质量，位于宇宙大爆炸之后约5.7亿年。而仅仅半年后纪录就被刷新，名为UHZ1的黑洞跃居为观测史上最遥远的黑洞，它形成于宇宙大爆炸后约4.7亿年，拥有4000万倍太阳的质量。今年1月，关于最远黑洞的探测纪录再度被改写。

　　2016年，哈勃空间望远镜捕捉到了一个极其古老且遥远的星系GN-z11。该星系的红移值高达11.1（红移值越大，表示天体离我们越远。在此之前，人类能看到的最远星系距离我们132亿光年，其红移值为8.68），处于宇宙大爆炸后仅约4亿年的时间点。

　　借助于韦布空间望远镜提供的更为详尽的数据，今年1月，利用韦布空间望远镜的观测数据，剑桥大学的研究团队针对GN-z11展开了新一轮研究。通过对GN-z11光谱特征进行精细分析，他们发现了活动星系核的宽线区特征，有力证明了GN-z11核心区域内存在着一个十分活跃的吸积黑洞。分析得出，该黑洞的质量约为160万倍太阳质量，并以大约5倍爱丁顿吸积率高效运作。这个超大质量黑洞处于宇宙历史的极早期阶段，对它的研究有助于我们理解宇宙的早期演化和超大质量黑洞的快速形成机制。

爱因斯坦探针升空

　　由于黑洞周围的物质能够发射出强烈的X射线辐射，X射线探测卫星成为了观测黑洞的关键工具。今年1月，在印度发射该国首颗用于研究黑洞的科学卫星X射线偏振计卫星（XPoSat）后不久，中国科学院联合欧洲空间局和德国马普地外物理研究所共同研制的爱因斯坦探针卫星（EP），在中国西昌卫星发射中心发射升空。

　　EP卫星荷载由大视场X射线望远镜（WXT）与后随X射线望远镜（FXT）组成。前者视场可达3600平方度，用于全天候监测天空中的X射线源，有利于捕捉到新的暂现源；后者具有更高的空间分辨率，能够更深入地研究这些源的物理特性。

2021年3月24日，中国科学院上海天文台路如森研究员介绍黑洞的相关知识

　　EP卫星的主要观测波段集中在软X射线区域（0.5～4keV），黑洞研究是其科学目标之一。预计在至少三年的任务期内，将会产生诸多重要成果：发现数百个星系中心的宁静黑洞；给出星系中心含有超大质量黑洞的比例；发现中等质量黑洞和大质量双黑洞的观测证据；发现各种类型的黑洞潮汐瓦解事件；揭示喷流产生的条件及机制等等。EP卫星的成功运行，将有力推动天文学的前沿发展。

黑洞研究价值不可替代

　　黑洞是宇宙中最为奇特和极端的物理环境，对检验基础物理学理论、理解星系形成与演化等具有不可替代的价值。

　　黑洞是验证爱因斯坦广义相对论的理想实验室。这一理论预测了当物质高度集中时，引力将导致空间时间发生极度扭曲，形成一个连光都无法逃脱的区域，即黑洞。黑洞附近的强引力效应，为科学家提供了在强引力场下测试广义相对论的机会。

　　几乎所有星系的核心位置都有一个超大质量黑洞，通过吸积周围气体等物质，黑洞将释放出巨大能量，发射高能射线、驱动强大的喷流结构。这些活动不仅影响黑洞附近的环境，还可能影响整个星系内恒星的形成速率、分布状况等。因此，研究黑洞的行为，对理解星系演化具有重要作用。

　　由于超大质量黑洞在吸积周围物质过程中所释放的巨大能量，形成了强大辐射和喷流现象，使得我们能够探测到宇宙更为深处的隐秘角落。通过对黑洞吸积过程及其影响下类星体光谱特征的精细研究，科学家能够以此实现对宇宙中极远距离的精准测量。这会深化我们对宇宙早期状态的理解，对验证宇宙学模型提供数据支撑。

　　（杨隽系中国科学院大学天文和空间科学学院硕士研究生；苟利军系中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授）