黑洞的发现历程
宇宙黑洞
1. 人类首张黑洞照片
2019年4月10日，北京时间21：00整，全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海、中国台北、日本东京、美国华盛顿）召开新闻发布会，视界面望远镜（ETH）发布人类首张黑洞照片（下图），我们有幸成为了有史以来第一批“看见”黑洞的人。
图解：在巨大椭圆星系M87核心的超大质量黑洞 图源：EHT.
视界面望远镜项目团队在2017年4月5日到11日之间对M87进行了4次非常成功的联合观测，并经过近两年的数据处理，呈现了人类史上首张黑洞照片。
这张照片摄自梅西耶87（M87）星系中心的黑洞，重约65亿个太阳质量，距离地球5500万光年，由全世界横跨几大洲近10台毫米波望远镜（或阵列）组成视界面望远镜进行联网观测。
中国科学院上海天文台研究员袁峰在现场表示，现在看到的照片大体来说有两个部分，一部分是中心区域不太发光的阴影，另一部分是围绕这个阴影的发亮的圆环。圆环发的光就是从吸积盘上发出的，而黑色的阴影要比黑洞本身要大几倍。
2.黑洞理论的提出
“黑洞”很容易让人想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是一种天体。天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，称之为黑洞。黑洞具有极大的吸引力，任何物质都不可能从此区域内逃逸出去，甚至连光线都被紧密吸引束缚。因此，它是一个“无底洞”。而任何物体，无论是人，还是动物，或是火车、汽车，一旦落入黑洞，就被黑洞内部引力场所摧毁。在黑洞内部不存在任何类型的物质结构。黑洞仅有质量、电荷自转的差别，在其他方面无差别。
黑洞不会发光，不能用天文望远镜看到，正因为人们无法直接观测发现。这就使得人们对于黑洞的研究变得异常困难：它不向外散发能量，人们根本无法看到它。因此，人们对于黑洞的研究就像是对一种看不见的东西进行研究。
时至今日，黑洞已成为理论物理学和天体物理学最大的热点之一。不过人类认知和发现黑洞的过程，却相当的漫长和曲折。
虽然黑洞这个名词是在20世纪下半叶才提出的，但是早在18世纪末，就已经有两个先知从理论上预言了这种神秘天体的存在。这两个先知，我们在太阳系之旅中都已经见过了，他们就是英国物理学家约翰·米歇尔和法国数学家拉普拉斯。
约翰·米歇尔（John Michell）
虽然已经差不多被世人所遗忘，但是米歇尔的确做出了一些最具开创性的贡献。举个例子，他曾经深入研究过1755年的里斯本大地震，并因此成为了世界上第一个估算出地震波速度的人。再比如说，他率先做出了一套测量万有引力常数的实验装置。在他死后，这套装置几经辗转到了卡文迪许的手里；后者对它加以改进，从而完成了著名的卡文迪许扭秤实验。
1783年，米歇尔在英国皇家学会做了一场报告。在这场报告中，他提出了一个惊世骇俗的观点：有可能存在一种引力强到连光也无法从其周围逃逸的天体，也就是所谓的“暗星”。
无独有偶。1796年，大数学家拉普拉斯出版了他的传世巨著《宇宙体系论》。在这本书中，拉普拉斯也指出了存在暗星的可能性。他甚至猜测，宇宙中暗星的数目或许不比恒星的数目少。
拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749－1827)
随着一个天体质量的不断增大，或者其半径的不断减小，天体表面的逃逸速度将会不断增大。如果这个逃逸速度超过了世界上最快的光速，就没有任何东西能从它的表面逃逸了。换句话说，就连光也会被此天体的引力束缚，而无法跑到远方。这样一来，我们就永远不可能看到这个天体发出的光。这个永远看不到的天体，就是米歇尔和拉普拉斯所说的暗星。
这是一个非常伟大的洞见，超越时代长达100多年。
3.巨人出现---卡尔·史瓦西
在20世纪初，德国大物理学家普朗克和爱因斯坦发现光的本质：光其实既是一种粒子，又是一种波，这就是所谓的波粒二象性。这个发现打开了人类通往量子世界的大门。此时的暗星理论早已被遗忘在历史的垃圾堆里。
直到1915年底，一个趴在一战战壕里、已经命不久矣的德国人，才让它重见天日。此人就是德国著名天文学家卡尔·史瓦西。
德国著名天文学家卡尔·史瓦西
1873年10月9日，史瓦西出生在德国法兰克福的一个犹太家庭。他是一个神童，16岁就发表了两篇关于双星系统运动轨道的论文。此后，他的人生之路一直是一马平川。22岁，他获得慕尼黑大学博士学位；28岁，他成为哥廷根大学教授；35岁，他当上波茨坦天文台台长；38岁，他被选为德国科学院院士。
但在40岁那年，史瓦西的人生却发生了重大的转折。1914年7月28日，第一次世界大战爆发。史瓦西随即做出了一个惊人的决定：投笔从戎。他辞掉了波茨坦天文台台长的职位，加入了德国军队。此后一年的时间，他在东西战线来回奔波，并晋升为炮兵中尉。
尽管置身于危机四伏、朝不保夕的世界大战中，史瓦西依然心系科研，一直坚持阅读《德国科学院院刊》。1915年12月，他注意到院刊上的一篇文章提出了一个全新的理论，那就是爱因斯坦的广义相对论。
一个大质量的物体（例如太阳）能把它周围的时空压弯，就像一个大铁球能把弹簧床压弯一样。此时若有一个小质量的物体（例如地球）从旁边经过，其运动轨迹就会因为时空的弯曲而发生改变。爱因斯坦指出，这种时空弯曲对周边物体的影响，其实就是引力。这意味着，时空弯曲就是万有引力之源。这就是爱因斯坦引力（即广义相对论）最核心的思想。
时空压弯
广义相对论有一个最核心的方程，叫爱因斯坦引力场方程。
史瓦西的数学功底可比爱因斯坦强多了。他趴在德国东线的战壕里，只花了几天的时间，就快刀斩乱麻地找到了爱因斯坦引力场方程的一个精确解，那就是著名的史瓦西解。简单地说，史瓦西解描述了一个有质量、无转动、无电荷的球对称天体，其周围的时空具有怎样的几何特征。
基于这个史瓦西解，史瓦西又发现了一件意义重大的事情。如果一个质量为M的球形天体，收缩到一个特定的范围以内，光就无法再从它的表面逃逸。换句话说，如果一个球形天体的半径小于一个特定的数值，它就会变成一个连光也跑不出去的太空监狱。
这个特定的数值就是所谓的史瓦西半径，其大小为R=2GM/c^2。其中万有引力常数G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2，而光速c=2.998×10^{8}·m/s。
黑洞的史瓦西半径公式
如果把太阳的质量（即1.989×10^{30}kg）带入此公式，可以算出太阳的史瓦西半径约为2954米；如果把地球的质量（即5.972×10^{24}kg）带入此公式，可以算出地球的史瓦西半径约为8.869毫米。也就是说，如果太阳的半径缩小到2954米，或者地球的半径缩小到8.869毫米，就会变成连光都能囚禁的恐怖监狱。
由史瓦西半径的表达式可以知道，由于分母是光速的平方，光速是每秒钟约30万千米：即3乘以10的8次方米，分母数值高达9乘以10的16次方。天体要形成太空监狱式黑洞的话，史瓦西半径一定是很小的。
让我们进行一个简单的思维实验。在地球上，如果你扔一块石头，它会沿着抛物线飞行，直到落到地上。如果增加了投掷的力量，那抛物线的长度将变得更长。如果一直这样下去的话，石头将不会下降，渐渐地，石头将开始绕着行星旋转。由于没有空气，就不会有空气阻力。因此，石头将进入行星的轨道中。
接下来，需要了解什么是第一宇宙速度和第二宇宙速度。
第一宇宙速度也是物体在地面附近绕地球做“匀速圆周运动”所必须具有的速度，即V1= 7.9千米／秒 。
第二宇宙速度：当物体超过第一宇宙速度V1达到11．2千米／秒，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称地球的逃逸速度，即V2＝11．2千米／秒。
第一宇宙速度和第二宇宙速度
太阳的引力比地球的强多了，太阳的逃逸速度理所当然的比地球的大得多，得618千米/秒。如果一个天体的逃逸速度达到或者超过了光速，光也没本事逃得出去。这样的天体，就是太空监狱般的黑洞.
做出这个一生中最著名的发现之后没多久，史瓦西就被病魔击倒了。他得了一种非常严重的皮肤病，不到半年就去世了。德国天文学界20世纪最大的巨星，就此化为了一颗匆匆划破天际的流星。
卡尔·史瓦西
史瓦西的发现让沉寂了100多年的暗星理论得以复活。一个天体要是坍缩到史瓦西半径以内，就会变成一颗永远也看不到的暗星。
4.黑洞的证实
在1967年底的一次学术会议上，美国著名物理学家约翰·惠勒首次把这种连光都逃不出去的太空监狱称为“黑洞”。这个名字，很快就以它的简洁和神秘，得到了世界各国天文学家的认可。惠勒是普林斯顿大学物理系的传奇教授，一生中培养了46个博士，其中包括两个诺贝尔奖得主。
约翰·惠勒
“黑洞”被正名以后，黑洞的研究变得越来越热门，最终成为了天文学最大的热点之一。人们利用理论物理的工具（即广义相对论和量子力学），对黑洞进行了大量的研究，而这些研究后来又极大地促进了理论物理（即量子引力）的发展。不过，再多的理论研究也不能取代实际的天文观测。在很长一段时间内人们依然不能确定，黑洞是否真的存在。
最早打开突破口的，就是天鹅座X-1。基于X射线波段的观测，里卡尔多·贾科尼的团队在1964年发现了天鹅座X-1。1970年，他们又用X射线卫星做了进一步的观测，并确认它是一颗蓝超巨星。但很快地，人们就注意到了这颗蓝超巨星的不同寻常之处。
里卡尔多·贾科尼（Riccardo Giacconi）
像太阳这样没有伴星的单独的恒星，只会绕银河系中心旋转，而不会再做其他的运动。但天鹅座X-1的这颗蓝超巨星不同。除了绕银河系中心旋转以外，它本身也在沿一个椭圆轨道（其长半轴为1/5个天文单位，即3000万千米）不断打转。对这种现象的解释只有一个：这颗蓝超巨星还有一颗看不见的伴星。
不仅如此，通过研究天鹅座X-1的这颗蓝超巨星的运动轨迹，天文学家们惊讶地发现其伴星的质量应该在太阳质量的10倍以上。也就是说，天鹅座X-1的双星系统中，存在着一个完全看不见、而且质量远远超过奥本海默极限的神秘天体。很自然地，人们就开始怀疑它到底是不是一个黑洞。
到了20世纪90年代，天鹅座X-1是黑洞的证据变得越来越确凿。人们以相当高的精度测出，天鹅座X-1中的那颗不可见伴星的质量，能达到太阳质量的14.8倍。除了黑洞以外，根本无法解释质量如此之大的不可见天体的存在。
这让天鹅座X-1成为了人们确认发现的第一个黑洞。
2019年4月10日，视界面望远镜（ETH）发布人类首张黑洞照片，我们有幸成为了有史以来第一批“看见”黑洞的人。
我们成为了第一批目睹黑洞真容的人类！
