NASA绘制迄今为止最清晰黑洞图像 展示引力如何扭曲时空和光线

NASA发布的最清晰的黑洞动态图，来源：NASA官方网站

黑洞是宇宙中最强大、最神秘的天体，也一直是诸多科幻小说、科幻电影的灵感来源。阿尔伯特·爱因斯坦在100多年前提出广义相对论，并率先对黑洞的存在作出预言。但直到2019年年4月份， "事件视界望远镜(EHT)" 项目的多国科学家公布了人类首张的黑洞的照片，使人类第一次真正“看到”过黑洞。这也是证实黑洞的真实存在的直接证据。但是由于该黑洞距离地球十分遥远（5500万光年）室女座A星，因此照片显得格外模糊，只能看清一个大概的轮廓，无法看到黑洞的结节。为了让人们看清黑洞的精确结构，NASA的科学家团队做了大量工作，通过超级计算机模拟得到了迄今为止最清晰精确黑洞图像和黑洞运行过程的视频。

NASA绘制迄今为止最清晰精确黑洞图像

2019年9月25日，NASA发布了一段展示黑洞精细结构和动态过程的视频，这些图像是人类迄今为止最清晰、最精确黑洞图像。NASA在官方网站给出的黑洞结构的详细解释，展示了黑洞强大的引力如何扭曲我们的视野和时空。该视频由位于华盛顿的NASA戈达德航天飞行中心的科学家团队，运用最新的观测数据结合黑洞的理论模型，通过超级计算机模拟产生的图像和动态视频。

黑洞各个组成结构

视频中可以清晰的看到黑洞的结构以及黑洞动态变化过程。如图所示，黑洞主要包括了黑洞中心区以及周围的吸积盘（Accretion disks）组成。黑洞中心黑色区域为黑洞的阴影区（Black hole shadow），包括的黑洞视界和周边的临界空间，大小约为黑洞视界的两倍大小。阴影区的外围是巨大的吸积盘围绕黑洞高速旋转。

黑洞阴影的外侧的有一条环状的细线，称为光子环(Photon ring)，是光子在环绕黑洞旋转时经过黑洞引力多次扭曲后的影像。

吸积盘由星际尘埃和气体等物质组成，在黑洞强大的引力下，被逐渐吸入黑洞的过程中，越靠近黑洞时速度越快，最终速度能达到近光速，物质的粒子高速运动、激烈摩擦撞击下，温度急剧升高并释放出X光、伽马射线以及可见光，让科学家们通过这些分析这些电磁波来间接观测黑洞。

从侧面看时，由于多普勒效应产生的红移现象，吸积盘一侧会比另一侧更亮，如上图中可以看到左侧区域明显高于右侧区域，因为吸积盘自旋方向是逆时针方向，左侧物质朝向观测者方向运动，而右部物质则是朝背离观测者方向运动，因些左侧区域会显的更明亮。

而我们看到的吸积盘上下方两个隆起的部分，实际位置是在黑洞的远端 。这是由于黑洞引力透镜效应(Gravitational lensing) 引起的，黑洞远端的吸积盘发出的光线，由于黑洞强大引力所扭曲的黑洞远端的空间，使原本在向上和向下传播和光线经过扭曲的空间变成向前运动而被人们看到。如果从黑洞上方，也就是垂直于吸积盘的方向看黑洞，看到的图像就是如下类似于风火轮的结构。

垂直于吸积盘的方向看到的黑洞

与之相比今年4月份的人类首张黑洞照片则模糊很多。

人类历史上首张黑洞照片

2019年4月10日， "事件视界望远镜(EHT)" 项目在全球多地同时召开新闻发布会，发布了人类历史上"拍摄"到的第一张黑洞照片。虽然照片很模糊，但人类终于真切地"看"到了黑洞。

EHT发布的人类首张黑洞照片

这张照片中的黑洞是一个位于5500万光年之外的M87星系中心，质量超过太阳65亿倍的超大质量黑洞。从照片中可以看到，那是环绕黑洞的物质发生剧烈摩擦升温之后所发出的亮光形成的光环结构。由于黑洞距离地球太遥远，所以图像看上去很模糊。

黑洞喷流

黑洞喷流的结构

但是此次NASA公布的视频中，我们并没有看到黑洞的喷流。黑洞的喷流也称作相对论喷流（Relativistic jet），科学家认为是黑洞的吸积盘表面的磁场沿着黑洞自转轴的方向扭曲引起的向喷发射物质面形成的。喷流是由速度接近光速的带电粒子构成的高温等离子体，喷流的长度可达几千甚至数十万光年，其尺度可以远远超出星系的范围。之前NASA曾经多次发布黑洞喷流的模拟图像。

NASA制造包含黑洞喷流的模拟图像

下图为哈伯太空望远镜在2000年拍摄的，M87超大质量黑洞（也就是第一张黑洞照片的主角）的的喷流，在太空中延伸超过1000光年，并且十分明亮。

M87 黑洞的喷流

星际穿越中的黑洞模拟

NASA此发布的视频图像和此前在《星际穿越》中的由加州理工学院科学家，诺贝尔奖获得者基普·S·索恩绘制的中“卡冈图雅”黑洞图像十分相似。

《星际穿越》中的“卡冈图雅”黑洞图像

《星际穿越》是由著名导演克里斯托弗-诺兰执导的于2014年11月上映的科幻大片。影片中，一群探险家为了拯救地球乘坐“坚韧”号飞船通过黑洞中心的虫洞飞出太阳系，为人类寻找新家园。

《星际穿越》影片中的“坚韧”号飞船

电影这部电影中，基普·S·索恩担任科学顾问，并为电影制作了高清的黑洞模拟影像，让很多普通观众首次看到黑洞的模拟图像。但电影中的黑洞影像是用IMAX相机镜头中模拟的黑洞的光散射渲染而成，因此该图像显得相对明亮。也正是科学家顾问团队制作的炫酷而严谨的黑洞影像，也使该赢电影得第87届奥斯卡金像奖最佳视觉效果奖。