(致谢：NRAO, AUI, NSF) 我们可能将在下周看到有史以来第一张真正的黑洞照片。事件视界望远镜 (EHT) 的研究人员已安排在 4 月 10 日上午举行新闻发布会，届时他们预计将公布一张超大质量黑洞的图像。这将是人类有史以来第一次用自己的眼睛看到这些巨大天体之一，科学家们对此感到异常兴奋，因为这张照片将为他们提供丰富的信息。
宇宙巨象
但是，黑洞的图像已经流传多年了，对吧？包括本杂志在内的许多出版物，都会在报道中配上黑洞的图片——你可能脑海中已经有了具体的形象。黑色的球体，彩色的气体螺旋……我们难道不知道黑洞看起来是什么样子吗？嗯，算是吧。所有这些图片都是基于理论的艺术创作，有时甚至是松散的，这些理论基于物理学告诉我们黑洞应该是什么样子。所以，我们对黑洞可能的样子有相当好的了解。然而，现实是，我们实际上没有任何确切的证据。正如 EHT 成员 Katie Bouman 在 TEDx 演讲中所说，我们甚至可能不知道我们星系中心是不是有一头大象。我们很可能很快就会知道真相，尽管它不一定看起来像我们可能预期的那样。这主要有两个原因。首先，黑洞离我们太远了，所以这张照片很可能比大多数艺术作品所示要模糊得多。此外，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论告诉我们，时空在黑洞附近会以奇特的方式弯曲——这一点艺术家们通常没有考虑进去。还有另一个原因，导致黑洞的绘画存在一定的自由度，那就是一个非常明显的事实：你无法看到黑洞。根据定义，黑洞是空间中光线无法逃逸的区域。没有光就没有图像。这意味着安静的黑洞，那些不吸积气体或其他物质的黑洞，实际上是看不见的。而对于那些正在吞噬物质的活动黑洞来说，情况也并非易事。许多活动黑洞周围都围绕着厚厚的尘埃，笼罩着它们的身影。有些黑洞会通过数千光年长的强大物质喷流暴露其存在，但它们的中心常常隐藏起来。其中最耀眼的被称为类星体，它们确实很难被忽视。但类星体只是少数。
围绕着活动黑洞并发出相对论性喷流的尘埃云。(致谢：NASA/SOFIA/Lynette Cook) 为了在保持一定美感的同时解决这些问题，许多太空艺术家选择了一种理想化的黑洞图像。你可以将其视为黑洞的“标准模板”，它包含几个关键组成部分。
黑洞标准模板
首先是黑洞本身，即任何黑洞图像中心的那个球体或空洞。实际上，它是一种负像——一个由其缺失定义的物体。我们看到的过热气体的弯曲边缘定义了奇点的外边界，即黑洞的事件视界，一旦越过这里就无法逃脱。这个边缘所依附的黑暗泡沫就是真正的奇点。接下来是尘埃和气体云，称为吸积盘。当然，并非所有黑洞都有吸积盘，但如果我们想要真实的图像，我们就需要有一些东西与黑洞形成对比。吸积盘的形成方式与土星环有些相似：被黑洞引力吸引的物质开始绕轨道运行，最终逐渐扁平化成一个薄盘。“物质以盘状流向黑洞是非常常见的，”马里兰大学哈勃空间望远镜博士后研究员 Erin Kara 说。“我们听说它们会把周围的一切吸进去，但实际上，那些热气体首先会优先绕黑洞旋转，然后随着时间的推移，会穿过事件视界——这个‘不归点’，导致图像中间出现黑暗的‘阴影’。”
你还可能看到黑洞两侧似乎有巨大的光束射出，垂直于吸积盘。这些被称为相对论性喷流，由从吸积盘中喷射出的过热等离子体构成。这些喷流是已知宇宙中最强大的现象之一；它们以接近光速的速度传播，并能从黑洞本身延伸数千光年。只有最大、最活跃的黑洞才会产生喷流，尽管在某些情况下它们可能相当壮观。类星体，位于星系中心的极其强大的黑洞，
其亮度可以超过整个银河系。现在，让我们回到黑洞标准模板。通常的标准公式是：黑色的球体，发光的盘面，
可能还有一些喷流。但这并非黑洞的真实外观。为了获得更具科学现实感的图像，情况开始变得复杂起来。
类似于电影《星际穿越》中描绘的黑洞的渲染图。(致谢：James et al./IOP Science)
手绘的起源
让我们来看看另一种不同类型的黑洞图像，它是由一种强大的力量——好莱坞电影特效——带给我们的。电影《星际穿越》中的黑洞“Gargantua”，看起来与科学文章中常见的黑洞截然不同。这张图像是在理论物理学家 Kip Thorne 的帮助下制作的，它更准确地描绘了附近的人可能看到的黑洞的样子——尽管它也并非完美。Gargantua 最明显的不同之处在于它拥有似乎是两个环，而不是一个。双盘是因为黑洞附近引力极其强大，以至于弯曲了光线本身的路径。我们实际上看到的是一个吸积盘，被引力扭曲成了两个的样子。从我们的角度看，即使在赤道上，来自盘面后部的光也会被拉到黑洞上方，形成一个弧形在黑洞上方的第二个环。同样，来自盘面后部下方的光也会被弯曲到黑洞下方并朝向我们。
图像会因我们观察黑洞的角度而异。例如，如果我们从盘面平面上方越高的地方看，由于光线弯曲的影响减弱，环看起来会越小。
一名宇航员在掉入黑洞时会看到的景象。图像对应于顶部图形中标记的点，从左上角开始。(致谢：Marck and Luminet "Plongeon dans un trou noir" In Pour La Science Hors-Série "Les Trous Noirs"; Pour La Science: Paris, France, 1997; pp. 50–56) 然而，“星际穿越”中的黑洞缺少一个重要的组成部分——导演克里斯托弗·诺兰实际上知道这一点，但为了让画面更易懂而选择省略了。电影中展示的黑洞类型周围有一个物质盘，并且该物质围绕黑洞高速旋转。事实上，气体和尘埃的运动速度非常快，以至于从中发出的光子会因多普勒效应而发生变化。这与警报器在靠近时音调变高，在远离时音调变低是相同的现象。因此，一个从左向右旋转的吸积盘，在左侧会显得更亮、更蓝，而在另一侧则更暗、更红。Gargantua 两侧亮度看起来都差不多（黑洞图像通常省略颜色），这使得它有些不准确。事实上，40 多年前，天体物理学家 Jean-Pierre Luminet 就创作了一个更准确的薄吸积盘黑洞视觉图。这幅画是根据他在 1978 年利用一台早期打孔卡 IBM 计算机进行的计算绘制的。然后，他将计算结果数据用钢笔和墨水手绘到感光底片纸上，然后又制作了一张负片来获得下图。
1978 年 Jean-Pierre Luminet 手绘的黑洞渲染图。(致谢：Luminet 1979) Luminet 创建的理论黑洞根据多普勒效应，左侧明亮，右侧昏暗。后部被向上弯曲，底部几乎完全不可见，被前面的明亮盘面遮挡。这张图与 Thorne 和几位同事在《星际穿越》发布后为了提供更准确的 Gargantua 外观而创作的图像惊人地相似。
电影《星际穿越》中黑洞更逼真的渲染图。(致谢：Marck et al./Classical and Quantum Gravity)
真实的面貌
很可能，EHT 获得的实际黑洞照片将与以上任何一张都不同。首先，分辨率会低得多，而且他们观测过的两个黑洞——人马座 A*
和M87
——的参数可能也不同。黑洞周围吸积盘的大小和形状、盘中等离子体的温度、旋转速率、黑洞本身是否在旋转、观察角度以及许多其他因素都可能导致图像与我们所期待的不同。而且，谁知道呢，也许他们会发现一些完全出乎意料的东西。毕竟，我们的星系里可能真的藏着一头大象。
