近距离看黑洞：一个交互式模型

从黑洞附近经过的光会被它的引力弯折。对屏幕上的每一个点，这个模型都从你的眼睛出发，沿着光线逆向追踪，经过黑洞，找出它的起点：在围绕黑洞旋转的一层薄薄的炽热气体盘上，或在远处背后的一颗恒星上，或者哪里都不是——如果光线落了进去。

你看到的是什么

• 阴影——中间的暗区，光线在这里终结于黑洞内部。它的宽度是事件视界的 2.6 倍，事件视界是任何东西都无法逃出的边界。
• 吸积盘的远侧，在上方和下方——来自黑洞后方那部分盘的光绕着黑洞弯折。在上方，你看到远侧的上表面；在下方，则看到它的下表面。
• 光子环——阴影边缘那圈细而明亮的环：光在到达你之前绕着黑洞转了一圈或更多圈。
• 一侧更亮——靠近内缘处，气体以一半光速运动。在朝你而来的一侧，光更亮、更蓝；在远离你的一侧，光更暗、更红（多普勒效应）。
• 更暗、更红的中间——光从黑洞引力中爬出时会损失能量（引力红移）。
• 内缘——气体无法在比视界半径三倍更近的地方绕转。再往里，它会在绕不到一圈的时间里落进去，几乎不发光。

如何计算

每条光线都沿着光在不自转黑洞周围的精确路径前进，这来自爱因斯坦的广义相对论（史瓦西解）。吸积盘是诺维科夫和索恩所描述的薄盘：它在离中心每个距离处的温度由他们的公式给出，在约 4.8 倍视界半径处最热。每个点的颜色就是该温度下气体的辉光，再经多普勒效应和引力修正。每一圈气体都以各自的轨道速度绕转；时钟显示的是遥远观察者的时间，盘上不同部分的光抵达你所需的时间也不同。

无论质量多大，黑洞看起来都一样：更重的只是更大、更慢。这就是为什么人马座 A* 和 M87* 呈现同样的画面——对比一下它们卡片中的尺寸和时间。

简化了什么

• 这个黑洞不自转。人马座 A* 和 M87* 转得有多快还没有精确测定；自转的黑洞，阴影会略微变扁，吸积盘也能延伸到更靠内的位置。
• 温度是我们选定的：最热处约 5,000 K，比太阳表面略低，这样盘就能发出可见光——最热处发白和黄，较冷处发橙和红。
• 真实的人马座 A* 和 M87* 并没有这样明亮的盘。它们吞入的气体很少，事件视界望远镜拍到的是它们周围稀薄炽热气体发出的射电波；这些图像中的明亮光环来自同样的光线弯折。像这样的盘会出现在吞食物质很快的黑洞周围，例如类星体——而且温度更高。
• 盘上的条纹是人为添加的，好让你看清气体在运动；每一圈气体都以真实的速度转动。盘只显示到 14 倍视界半径处；再往外它会继续延伸，更冷、更暗。
• 背后的恒星也是虚构的，但它们的光以同样的方式弯折。

资料来源

• 人马座 A*：质量为 430 万个太阳，距离 8,277 秒差距（27,000 光年）——GRAVITY 合作组，“Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits”，A&A 657, L12 (2022)。光环 51.8 ± 2.3 微角秒——事件视界望远镜合作组，ApJL 930, L12 (2022)。
• M87*：质量为 65 ± 7 亿个太阳，距离 16.8 兆秒差距（5,500 万光年），光环 42 ± 3 微角秒——事件视界望远镜合作组，“First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole”，ApJL 875, L1 (2019)。
• 吸积盘：I. D. Novikov 与 K. S. Thorne，载于 Black Holes（Les Houches，1973）；D. N. Page 与 K. S. Thorne，“Disk-Accretion onto a Black Hole. I. Time-Averaged Structure of Accretion Disk”，ApJ 191, 499 (1974)。
• 发光气体的颜色：CIE 1931 颜色匹配函数，由 C. Wyman、P.-P. Sloan 与 P. Shirley 拟合，JCGT 2(2), 1 (2013)。