用计算机描绘黑洞，诺兰电影并不是最早的，甚至不是最精确的

中科院物理所

4月10日，全世界似乎都在为一件事情而疯狂，在六个地方同时举行的全球发布会上，事件视界望远镜(EHT)的国际团队向地球人公布了第一张黑洞事件视界的图片，并在发言中称“我们已经看到了我们认为看不到的东西……你看到的是视界的证据。”

▲ 上周的刷屏网红，来自M87星系的黑洞（吸积盘）影像

这张高角度分辨率的图片，描绘了位于M87星系中心的65亿个太阳质量的黑洞，距离地球约5500万光年。

它揭示了理论中所预言的视界是存在的，并再一次证实了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。M87在天空中的位置如下图所示。

▲ 在中北纬地区观察到的M87方位

通过安置在夏威夷、亚利桑那、西班牙、墨西哥、智利和南极洲等地区的八个射电望远镜所组成的网络，科学家们创造了一个地球大小的虚拟望远镜，叫做超长基线干涉测量，简称VLBI，它的放大率是哈勃太空望远镜的2000倍。而在每一个望远镜上都放置了原子钟，保证它们可以在同一时间观察同一对象。除了M87，被列为拍摄对象的还有人马座A。

观测所采用的射电波长是1.3毫米，这是能够穿过阻挡黑洞阴影的气体的完美波长。最后一共获得了几个PB的数据，汇总到了德国马普射电天文学研究所和美国MIT海斯塔克天文台进行统一处理。

这当中，为了等到南极开春，好把南极望远镜的数据运出来，还耽搁了好几个月。可谓费尽周折，但，一切都值得，因为这是黑洞，可能是宇宙中为数不多的人类迄今仍想尽方法要得知其真面目的事物之一了。

可能大多数人都和我一样，想到“黑洞是什么样子的”，脑子里就会浮现诺兰电影《星际穿越》中的那个在物理学家基普·索恩指导下、由伦敦的视效公司Double Negative所制作的Gargantua黑洞，它被打出了“史上最精确的黑洞图片”这样的宣传语，甚至成了这部科幻大片的噱头之一。

据称，为了做出影片中需要的这个黑洞，索恩给了视效团队一份长长的写满了公式的备忘录，让他们用这个写了一个新的渲染器，为了确保方法有效，还先拿虫洞练了练手。最后，30个人、数千台计算机一年的工作成果，得到了那张著名的黑洞“照片”。

▲ 在渲染器中运行不同效果

建立这个模型的关键在于对吸积盘的理解，吸积盘是一团凝聚在一起的物质，它围绕着黑洞旋转，因此，尽管我们从小就被告知“因为黑洞吸收所有光线，所以它不可见”，却仍有办法通过描述它周围那一团还没被吸进去的物质，来勾勒它的轮廓。

工作室创建了一个多色的平面圆环代表吸积盘，事实证明，它不仅漂亮，而且有用。

▲ 吸积盘被模型化为一个色彩绚丽的平面圆环

作为拿过奥斯卡最佳特效的工作室，Double Negative的了不起之处在于他们严格而巧妙地对模型做演示，最终产生了一个让索恩也赞叹的效果，黑洞外围扭曲的时空同样使得吸积盘也发生弯曲，于是产生了一个奇特非凡的光晕。这个发现后来被索恩也用到了自己的论文中，

▲ 索恩及其同事一篇谈CG技术的论文中的黑洞，根据Double Negative的演示结果生成

细心的你应该发现了，索恩论文中所用到的CG图，和电影中的那张图之间的最大不同——左右两边的亮度不一样。这也是索恩数次怨念，甚至在他的《星际穿越中的科学》一书中提到的一个遗憾，诺兰不想增加观众们理解起来的难度，所以就没有采用那个不对称的真实描述，而用了下面这个物理上有问题的样子，美则美矣。

▲《星际穿越》中的Gargantua黑洞最终采用的形象

对《星际穿越》中黑洞形象提出批评的人士当中，来自巴黎天文台的Jean-PierreLuminet是最为重要的一位，这本出过法语版畅销书Les trous noirs（黑洞的意思）的科学家，写了一篇15页的关于电影科学的论文，严正讨论了这个问题，“这种强烈的不对称的视光度，是一个黑洞的主要特征，黑洞是唯一的天体对象，能够给其吸积盘内部区域一个接近光速的旋转速度，这会诱发一个非常强的多普勒效应。”

▲ Luminet的Les trous noirs有好几个版本，这是其中的两个

Luminet对这一点如此不满，端的是有来由。事实上，早在1979年，拥有数学背景的他，就做出了真正称得上最为精确的黑洞模拟图，还是在一台IBM7040打孔机的帮助下完成的——什么概念？就是它产于上个世纪60年代，计算能力还远远比不上你的家用计算器。

利用打孔计算机返回的数据，他煞费苦心地用钢笔和墨水在负片纸上进行手工绘制，就像一个人形打印机那样，做出了下面这张珍贵的科学图像。

它向我们展示了落入黑洞的那个扁平物质盘可能是什么样子。后来在发表于arXiv的一篇论文中，他解释道：“实际上，引力场使黑洞附近的光线弯曲得如此厉害，以至于盘的后部‘显露’出来……光线的弯曲也产生了一个次级图像，让我们可以从观察者那里看到吸积盘的另一边，也就是黑洞的另一边。”

▲ 1979年，Luminet结合计算机数据做出这张人工“打印”黑洞

Luminet的图像描绘了《星际穿越》中未曾表现的另外两个重要现象：一个是离黑洞边缘近的地方，能量和光更强，而远离黑洞的地方，能量和光更弱；另一个是由吸积盘旋转引起的多普勒效应和爱因斯坦效应，根据转向的不同，吸积盘的旋转会使一侧的光看起来更亮。在上图中，吸积盘是逆时针旋转的，所以它的光线从左边接近观察者，然后从右边撤退，这使得左边看起来更亮。

EHT昨天发布的照片，则是顺时针旋转的，转轴和观察方向有一个17度的夹角，所以我们会看到图片中吸积盘的下部发亮。

▲ Luminet的著作英文版封面

后来，计算机的能力不断加强，软件也不断改进，Jean-Pierre Luminet得以做出更加丰富感人的黑洞形象，他和同事Jean-Alain Marck做过一个图片集，从不同角度展示非旋转黑洞及其吸积盘（中间那一排，我觉得和M87挺像的）。1991年，两人还在法国拍摄的一个科学纪录片中为观众做了一个包含多普勒扭曲和不对称的黑洞。