人类拍摄到的首张黑洞照片，和之前科幻电影中的黑洞有何相似和不同？

5月12日晚9时，长江日报记者从中科院上海天文台新闻发布会上获悉，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布银河系中心黑洞的首张照片。这是位于我们银河系中心的超大质量黑洞的首张照片，也是EHT合作组继2019年发布人类第一张黑洞照片、捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞之后的又一重大突破。

人类拍摄到的首张黑洞照片，和之前科幻**中的黑洞有何相似和不同？

1、对于科幻**来说黑洞更加神秘

科幻作家关于黑洞的疯狂想象，上面只是冰山一角。这个黑洞距离地球5500万光年，也就是说，这道来自5500万年前的凝视，今天才终于抵达。这道光刚刚发射的时候，消解了神秘，虚无，一切科幻和宗教的来源，满足了人类神经系统处理电磁波的虚荣。

2、真实的黑洞

黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着黑洞高速旋转。但Sgr A相对于第一张黑洞照片的M87要小1500倍，这意味着，气体绕M87一圈需要几天到数周时间，但绕Sgr A一圈只用几分钟，气体的亮度和图案快速变化，“有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片”，因此数据处理相对M87来说更复杂。

3、人类想象中的黑洞

黑洞是个密度超级大的星体。根据万有引力定律 质量越大 引力越大 在在根据广义相对论。空间在引力场的作用下会弯曲。光线虽然仍然沿直线距离最短的路径传播。但走的已经不是直线 而是沿着弯曲的空间的曲线。简单的说。就是黑洞巨大的引力把光线弯曲，没想到拍到的照片和人类的想象竟然类似。

后记：**《星际穿越》有这样的情节：男主角掉进年老的温和的黑洞——卡冈图雅，在更高维度的时空里获得引力的数据，通过莫斯码传送给他的女儿，从而拯救了地球上濒危的人类。目前并没有任何探测器或者人类进入黑洞，因此我们对黑洞里面的世界依然一无所知。当然，在现实中更可能的情况是任何探测器包括人在还没到达黑洞就被黑洞强大的引力撕裂。

这篇文章是《天文文献阅读》课程最后的一次作业，作业要求全英写4页的论文，论文格式要符合天文期刊的格式要求。老师给的模板是PRB期刊文章要求的格式。

有次开组会时，老师在组会上便讲了一些科研写论文的心得。老师说：因为刚开始写论文的时候，最关键的是如何流畅的写出自己想表达的内容，因为我们从小学习的就是中文，最好先用中文写一遍。感觉自己想表达的东西都写出来时，再考虑把文章译成英文。

刚好借助，用这篇文章来梳理一下自己的思路。

现在一般认为，几乎所有的大质量的星系（ ）中央都有一个超大质量的黑洞(Supermassive Black Holes)存在。如，长期对银河系中心的恒星运动观测表明，在银河系的中心纯在这一个质量为4百万倍太阳质量的黑洞。对新视界望远镜对M87的成像观测表明，M87星系中心有一颗质量为65亿倍太阳质量的黑洞存在。对X-ray双星系统的研究，以及2015年第一次接收到引力波信号都表明，这些系统中存在一颗或者多个质量为几到10倍太阳质量的黑洞，也称为恒星级质量黑洞(Stellar-mass Black Holes)。对于恒星级黑洞的形成，在理论上有着很完美的解释：是大质量恒星（10个太阳质量及以上）塌缩后的产物。然而，对于超大质量黑洞是如何形成？超大质量黑洞如何跟宿主星系相互作用？在研究星系的形成和演化时，仍是最基本的问题。

一般认为，超大质量黑洞与其宿主星系之间存在着共同演化。在观测上，超大质量黑洞质量与宿主星系的恒星速度弥散有着很强的相关性，是上面想法一个强有力的证据。如果，超大质量黑洞与宿主星系存在着共同演化，这暗示着在演化早期，存在超大质量黑洞的种子黑洞(Black Holes seeds)。

对于种子黑洞的形成机制，目前主流的解释有两种。一种理论认为：种子黑洞来自于第一代大质量恒星的塌缩(Population 3 star，星族3)，在大质量恒星塌缩后形成的遗迹中，轻种子黑洞(light Black Holes seeds )通过断断续续的超爱丁顿吸积率过程会增长到超大质量黑洞( )。但是这种过程可能要持续几亿年。

ULAS J1342+0928，红移z=754， ，是目前已知红移最高的类星体。在宇宙大爆炸(Big Bang) 700Myr后，发现这么高红移的类星体，且黑洞质量如此之大，一直困扰着天文学家几十年。

这些如此重的黑洞在宇宙早期是如何形成的？

根据黑洞增长模型， ，如果该黑洞的种子黑洞一直处于爱丁顿吸积率状态，即使种子黑洞在红移z=40处，也需要质量在1000个太阳质量以上。这明显跟模型对早期黑洞的形成机制相悖，所以我们不得不对黑洞的增长模型做出新的思考。另一种解释认为，种子黑洞应该来自于更重的小黑洞(massive Black Holes seeds)，这种类型的黑洞由早期气体云团的直接塌缩或者来自于致密大质量恒星团的碰撞形成。如果根据这种黑洞增长机制，对于观测已知的高红移超大质量黑洞，其种子黑洞( )可以在短时标、低于爱丁顿吸积率以下，增长到 。图1给出了种子黑洞的形成与演化(来自Mar Mezcua et al 2019)。

在现有的天文观测设备条件下，直接探测如此高红移的黑洞的种子黑洞(宇宙早期的种子黑洞)是极具挑战性的。已经有许多对红移高于5的类星体的研究，即使在最深的X-ray观测中也没有探测到有AGN信号的存在。无论怎样，我们对高红移的黑洞的认知仅限于极高亮度的类星体和块头极大的黑洞。

根据宇宙学演化模型，在宇宙极早期形成的种子黑洞，有一部分没有参与跟其他黑洞的融合，或者吸积过程不是很强烈，这些种子黑洞没有增长为超大质量黑洞。在局地宇宙中，这些种子黑洞应该藏匿在矮星系中。

另外一种寻找早期宇宙中的种子黑洞的替代方法就是在近邻宇宙矮星系中寻找。一般认为，矮星系是没有明显的吸积与并合过程，因此没有明显的增长，与早期宇宙中原始的星系很像。模拟结果表明，如果种子黑洞是来自于星族3类型的恒星塌缩，在今天的矮星系中应该有很大一部分星系中有 轻BHs(100-1oooM_{sun}) ；如果种子黑洞是来自于气体团的直接塌缩，有一小部分的矮星系中存在 重BHs( )。因此，如果通过对矮星系中得到这两类黑洞的占比，是我们理解早期宇宙中种子黑洞如何增长为超大质量黑洞的关键。图2给出了light seeds 和 heavy seeds 的占比(来自 Volonteri et al (2008b) and van Wassenhove et al (2010))。

目前为止已经有几百个有IMBH吸积活动的矮星系候选源(M_{BH} )，通过对这些候选源的统计研究表明，种子黑洞更偏向于来自气体云团的直接塌缩过程。支持这一结论是气体直接塌缩形成的种子黑洞，在矮星系中（低质量端）有着很好的 关系。

本文主要介绍对于IMBH的观测研究。第一章介绍如何在局地宇宙中寻找中等质量黑洞。第二章给出结论。

中等质量黑洞( )，是超大质量黑洞与恒星质量黑洞缺失的link。已经有很多研究来确定IMBHs的存在。NGC4395是第一个被证认存在AGN的矮星系(Filippenko & Sargent 1989)；在矮星爆星系Henize 2-10中通过多波段证认有一个 黑洞(Reines)；在高速运动致密的云团HVCC CO-040-022中可能存在一个 黑洞。在今天近邻宇宙矮星系( )中寻找IMBH，研究它们的特征，对理解矮星系和种子黑洞的形成很重要。

通过测量恒星或者气体的速度来寻找黑洞，是最有说服力的方法。如通过对银河系中心恒星运动的近20年观测，我们知道在银河系中心有一个质量为 的黑洞存在。对M87星系的气体成像研究，其星系中央有一颗质量为 的黑洞。然而，目前而言，通过动力学方法搜索黑洞，尤其是搜索近邻矮星系中的黑洞，有着很大的局限性。当矮星系距离超过Local Group，其中心的中等质量黑洞的引力效应将不可分。表1给出含有中等质量黑洞的矮星系候选源。所以目前根据黑洞的吸积效应（AGN特征）来研究更远的矮星系。

如果一个星系含有一个大质量、有吸积活动的黑洞( )，并且吸积率高于 ，则称其为活动星系核(AGN)。AGN在全电磁波段都有辐射。如果一个星系有着明显的AGN特征，一般认为其星系中心有一个大质量的黑洞存在。

NGC4395是第一个被发现有AGN特征的矮星系。

NGC4395是一个晚型的矮螺旋星系，星系恒星质量为 并且有着明显的AGN特征，有高电离的窄发射线和宽巴尔末线，而且有致密的射电喷流结构和X-ray的变化。其中心黑洞质量为 ， ，满足 关系。

Reine(et al 2011)发现在矮星爆星系Henize 2-1o中存在一个大质量的黑洞(2\times10^6M_{sun})。Henize 2-10在光学波段被归类为恒星形成星系，然而通过VLA和Chandra(钱德拉望远镜)观测，星系中心处有致密的射电源和X-ray发射线，这些观测证据强力的表明该星系中心有一个大质量的黑洞存在。在随后的VLBI观测中，探测到一个角秒尺度、非热射电核，更近一步证明了上述的结论。Henize 2-10是一个低光度核区、爱丁顿吸积率很低、有明显的恒星形成区域、没有吸积盘、没有光学核球区的矮星爆星系。

AGN中心黑洞的吸积过程会辐射出高能的光子，这些光子传播到尘埃时，会在红外波段有再辐射过程。因为红外波段的光子在传播过程中仅受到星系尺度的较小影响，因此红外观测是观测高红移处遮蔽或者未遮蔽AGN更加有效的手段。近红外选源依赖于源的颜色特征，因此，用红外颜色来选矮星系中有AGN的源更有挑战性。Sartori(et al 2015)在利用WISE颜色选源时，通过Mid-IR颜色选取了189个候选源，但是只有4个源落在BPT图的AGN区域。因此在矮星系中，恒星形成过程在红外波段的辐射会更加明显污染AGN活动的红外特征，仅靠单一的WISE颜色标准在矮星系中选取AGN候选源是具有很大的挑战性的。

最近几十年，我们一直在努力给出AGN在矮星系中的特征。为了更好的种子黑洞的形成机制，我们需要更多能被认证有AGN活动的源。然而，自从第一个IMBH在NGC4395中认证，到目前为止含有AGN特征的矮星系仍然屈指可数。Reines(et al 2013)给出151个矮星系有宽或窄线光谱特征。在目前天文望远镜的能力下，通过观测恒星或气体的运动特征，仍局限于本星系群以内。更远的源可以通过多波段的光谱特征，但是利用红外颜色选源仍需要找出更好的选源标准。希望下一代的天文望远镜能在多波段上给出更多的观测证据。

这是韩国“现代展馆”的抛面墙，它黑到连三维立体结构都消失了，即使打开墙上的灯光也很难看到有墙的存在，反而像星罗棋布的宇宙，让人有漫步太空的感觉。

我们知道除了黑洞，地球上任何物质都会反射光线，只是强弱程度不一样，但只要有光照着基本都能用肉眼看个大概，难道这面墙就跟黑洞一样能吞噬光芒吗？

黑洞是宇宙中一种引力非常强大的天体，它能吞噬掉包括光以内的所有物质，由于既不会发光也不会反射光，所以黑洞周围都是漆黑的一片，故而称之为黑洞。

黑洞是恒星演化的最后阶段，它的形成条件十分苛刻，就算太阳也因为质量太小而不能演变成黑洞，它在生命尽头会先变成红巨星，红巨星会吞噬掉地球在内的大部分星球，然后在引力的作用下开始向内部坍缩，由于质量小引力也小，最后只能缩小成白矮星。

太阳的寿命起码还有几十亿年，或许那时候的人类早已消亡，也或许 科技 发达到可以让地球逃离太阳系，所以用不着担心世界末日的问题。

虽然地球上不可能存在黑洞，但是科学家可以研发新材料，吸光效果可以无限接近黑洞，韩国现代展馆黑墙也是因为涂上了一种吸光材料，这种材料是由英国萨里纳米系统公司研制

英文名缩写为Vantablack，翻译过来就叫梵塔黑，意为垂直排列碳纳米管阵列。

梵塔黑在问世之初号称地球上最黑的物质，在宇宙中是最接近黑洞的存在，如果用它来制作一件衣服，穿上这件衣服的人可能会被当做怪物。因为只能看得见脑袋和四肢，身体则是一片漆黑的空洞，连身体轮廓都看不出来。

夏天穿黑色衣服站在阳光下会明显感觉更热，穿白色的衣服就会凉快许多，这是因为颜色越深的物体，其吸光的能力就越强。

光其实是高速运动的光子，它们的速度达到30万公里每秒，一旦照射到物体上势必会和粒子发生碰撞和反射，只有部分光子会被转化成热量吸收掉，除非在光线比较暗的地方黑色物体就不容易被发现。

梵塔黑同样也会反射光线，只不过它的表面采用了碳纳米管结构，这些碳纳米管直径只有头发的万分之一，如果用把它放在显微镜下观察，会发现其表面有无数垂直的黑色管道，这些细小的碳管可以改变光线的反射路径。

当光线射入这些管道后，碳纳米管会先吸收绝大部分光线，剩下的光经过无数次折射后，逐渐碳纳米管转化成热量吸收，只有极少光线能反射出去。

原理看起来还挺简单的，举一个简单的例子，把一盆水快速倒在水泥地上百分百会溅起水花，如果把水泥地换成草丛，只会溅起细小的水珠。而且碳纳米管还有着超高的热导率，它吸收光线就如同海绵吸水一样。

所以梵塔黑仅能反射035%的光线，达到肉眼无法观察的地步，在2014年的时候登上了世界最黑的吉尼斯纪录，不过这一纪录在2019年就被麻省理工学院的团队打破。

该团队的布莱恩·沃尔德教授宣传，他们创造出比梵塔黑还要黑上10倍的材料，这种材料也是由碳纳米管制成，只是碳纳米管直径只有头发丝的五万分之一，所以只能反射0005%的光，一举成为有史以来最黑的材料。

布莱恩教授在一开始并没有想到用碳纳米管来制作极黑材料，碳纳米管除了导热性优异还具有良好的力学性能，其密度只有钢的1/6，但是抗拉强度是钢的100倍，并且硬度和金刚石相当。

若将其他工程材料与碳纳米管制成复合材料，可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性，给复合材料的性能带来极大的改善。

俄罗斯科学家曾把碳纳米管复合材料置于1011Mpa的水压下，这相当于深海1万米的压强，复合碳纳米管被巨大的压力压扁，撤去压力后瞬间恢复原状，这种良好的韧性是做弹簧的绝佳材料。

另外，碳纳米管的电导率是铜的一万倍，布莱恩教授原计划在铝的表面生长碳纳米管，以提高它的导电性能和热学性能，但铝在空气中会形成氧化物薄膜，非常耐腐蚀。

而且氧化物一般都有绝缘的作用，会降低铝的导电率和导热性，所以得用氯离子侵蚀铝的表面，这种蚀刻技术在金属工艺中十分常见。

由于氯离子半径小、穿透能力强，故它最容易穿透氧化膜内极小的孔隙，到达铝金属表面并与其形成可溶性化合物，使氧化膜的结构发生变化，慢慢将其腐蚀掉，最后将蚀刻完成的铝放入微波炉中加热，再通过化学气相沉积来生长碳纳米管。

这种方法也叫碳氢气体热解法，气态烃在1000度高温下会分解生成碳纳米管，然后在催化剂微粒的作用下附着于铝箔上。

布莱恩教授最后发现，碳纳米管和铝箔的结合达到了预期实验目的，复合材料的导热和导电性能显著提高。但最让人吃惊的是这种材料黑到让人不敢置信，于是又进行了光学反射率测试。

测试结果表明，该材料从各个角度都可以吸收99995%的入射光，是目前宇宙中仅次于黑洞的存在。不论其表面是凹凸不平，或者有其它形态特征，都无法被肉眼看到，眼前仅仅是一片虚无的暗黑。

布莱恩教授及其团队已经为这项技术申请了专利，但他们计划让艺术家们免费使用，来进行非商业性的艺术创作。有一位土豪把一颗价值200万美元的钻石，涂满了铝碳纳米管材料，让原本闪亮璀璨的钻石，呈现出完全相反的状态，黑到消失不见，它被命名为“虚荣的救赎”，在纽约证券交易所中展览。

宝马也曾用梵塔黑作为涂漆，专门设计了一款X6 SUV 汽车 用作展示，这台车无论在晚上还是在白天，不管你用多强的灯光去照射它，它看起来也是几乎一样黑。若不是车窗、车灯等部件尚有一些光泽，你甚至会觉得这台车是画在墙上的，因为你完全看不出它的表面棱角和线条。

这还是设计师手下留情，为它保留了1%的光反射率，才让 汽车 的轮廓能勉强被看见，以免它看起来和一张纸差不多，这也恰到好处的让这台车从外观上看起来奢华内涵，充满神秘感和尊贵感。

不过这台车没法行驶上道，因为受限于技术限制，梵塔黑作为涂料容易脱落，这要是掉漆了都没办法补漆，而且有网友调侃道，估计这车漆比车还贵，买来只能放着观赏。

那么这种超黑材料，除了带给视觉上的极致效果，到底有啥实际用途呢？

诺奖得主的天体物理学家约翰·马瑟表示，这种超黑材料可以提高光学仪器的灵敏度，它能消除航天望远镜镜头的干扰光。

比如美国正在开发的红外空间望远镜，它的主要任务是对红外天空进行宽场成像和调查，解决暗能量和红外天体物理学领域的基本问题。

但这类太空光学仪器必须摆脱不必要的眩光，因此要设计一个“遮星伞”来遮挡太空的杂光，而且还要承受火箭发射产生的高温，铝箔碳纳米管超强的吸光率和耐高温，无疑是制造遮星伞的最佳基础材料。

由于铝箔碳纳米管不能反射光线，它可以隐藏高低起伏的物体轮廓，是一种理想的伪装涂层材料，因此在军事武器领域有很大的应用空间。日本就在2020年推出一款吸光率达994%的黑色颜料，它可以轻松实现物品平面化、架空、磨砂、甚至是隐身。

其次它还有优异的导电性能和热传导性能，以及高效吸收光子的作用，所以铝箔碳纳米管可应用于散热系统、电力传输、以及光伏电新能源领域。

不过不管是梵塔黑还是铝箔碳纳米管，由于制备难度太大，目前无法走出实验室，更不能大规模量产投入使用。

最后总结一下，碳纳米管极致黑材料，在目前来说还存在制备难度大、生产成本高的问题，无法快速推广、应用到相关行业。但它确实有着广袤的应用前景，值得科学家去做进一步的研究。

就如同蒸汽机刚被发明的时候，它造价昂贵不说，产生的效益还赶不上人工劳作，但是瓦特改良蒸汽机后，人类 社会 迅速进入工业文明。

说不定有一天 科技 更加进步之后，人类也可以用“黑色”去改变世界。