迄今为止，我们已经拍摄了两个不同的黑洞事件视界，我们可以看到它们实际上是呈环状而不是圆盘。那么这是为什么呢？
图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/Jeremy Schnittman
从边缘观察，黑洞周围的湍流气体盘几乎呈现出疯狂的双峰外观。黑洞的极端引力改变了来自圆盘不同部分的光的路径，产生了扭曲的图像。黑洞的极端引力场会改变和扭曲来自圆盘不同部分的光，但我们究竟看到什么取决于我们的视角。几乎从边缘观察黑洞时会出现最大的失真。
关键要点
黑洞创造了一个空间区域，在这个区域中，任何东西，甚至光，都无法逃脱。
在那个区域周围，应该有炽热的发光物质，包括黑洞本身的前面、后面和四面八方。
然而，当我们看着它时，我们只看到一个明亮的环，围绕着一个黑暗的内部。为什么黑洞看起来像环，而不是圆盘？
从原始的关键数据被获取一直到 5 年之后，科学家拍摄到的黑洞图片终于让我们的大饱眼福，而且还是两张黑洞直接图像。这两张图片揭示的是一个围绕事件视界的光子“环”。被正常物质粒子包围的黑洞会加速这些粒子并加热它们，导致它们发出辐射。你可能会认为周围的物质会到处发射辐射，导致我们从任何角度都能看到一个坚固的辐射“圆盘”。但我们看到的根本不是一个圆盘，而是一个圆环，唯一发光的部分包围着黑暗。这就引出了一个问题:
“人马座 A* 和 Messier 87* 黑洞的图像显示了一个明亮的环状结构围绕着一个黑暗区域。为什么黑洞图像不是一个完全明亮的圆盘？发光气体的分布应该是球对称的，但在照片中，黑洞似乎正对着我们。”
事实证明，这个问题比这里提出的幼稚的球形图要复杂得多，但它仍然是一个合理的问题，其答案可能会让您感到惊讶。
图片来源：Andrew Hamilton/ JILA /科罗拉多大学
当你意识到宇宙中的大多数黑洞都是由大质量恒星内部坍缩形成的，将一个具有大量角动量的物体压缩成一个很小的体积时，就会明白有这么多黑洞看到了它们的事件地平线以接近光速的速度旋转。在（外部）事件视界内部，无法向外传播，因为内部空间以需要超光速运动才能克服的速度向内吸引。
黑洞的构成其实非常简单，就是大量聚集到一个地方的物质，其浓度如此之高，以至于它创造了自己的事件视界。从那个事件视界内，所有方向都“向下”指向中心奇点，这意味着任何穿过事件视界内部的物体的命运都是加入那个奇点并增加黑洞的整体质量。然而，从那个事件视界之外，仍然有一个区域，由于黑洞的存在，空间本身弯曲得非常厉害，这种强烈的时空弯曲不仅具有引力吸引力，而且会对任何更大、更重的物体产生巨大的潮汐力。
当你在存在的环境中有一个黑洞时，一般来说，该物质最靠近黑洞的部分会比远离黑洞的部分受到更大的引力。随着时间的推移，这会将周围的物质从块状分布集中到具有“流动”的圆盘组合中，从而导致密度增强。
图片来源：ESO、ESA/Hubble、M. Kornmesser
当一颗足够大的恒星结束其生命，或两颗足够大的恒星残骸合并时，就会形成一个黑洞，黑洞的视界与其质量成正比，周围有一个由坠落物质组成的吸积盘。当黑洞旋转时，事件视界内外的空间也会旋转：这是参考系拖曳效应，对于黑洞来说可能是巨大的。
但问题是，我们不只是想观察来自这个圆盘的光，也不想只观察被加速并汇集到射流中的物质。黑洞的这些成分很重要，通常波长范围从无线电到红外线一直到 X 射线，但这并不能探测黑洞本身的事件视界。相反，它探索事件视界之外的环境中的行为或物质：这是一种有用且信息丰富的制度，但如果您想了解黑洞或事件视界本身的属性，则不是。
但是这种围绕黑洞运行的物质——围绕黑洞运行的吸积物质，流入或流入黑洞，被加速，并由于碰撞、摩擦和持续的潮汐力而升温——基本上是由带电的粒子。带电粒子会产生电场，并且它们也在运动；每当带电粒子移动时，它们也会产生电流和磁场。当带电粒子在存在电场和磁场的情况下运动时，它们会加速，并且由于称为辐射反应的过程，它们还会发射（通常是低能）光子。
图片来源：Nicolle Rager Fuller/NSF
当物质在星系的中央超大质量黑洞周围积聚和积累时，它会升温并发光。然后，该光被黑洞的引力弯曲，从任何外部角度都形成了一个射电光“环”。
由于能量守恒，发出这些光子的物质开始失去能量，并开始吸入并落入黑洞，越接近事件视界，失去能量的速度越快。失去的能量被转化为光子，这些光子最终会相对于黑洞的事件视界向各个方向散射。
然而，即使这些光子向各个方向散射，它们在各个方向的通量也不会相等。取决于以下因素：
黑洞周围物质的密度
它的整体运动方向
吸积盘的厚度和均匀性
磁盘的旋转速度和磁盘各个组件之间的摩擦量
产生吸积流的团块的丰度和密度
什么样的物质正在进入并补充吸积盘
图片来源：NASA/CXC/Amherst College/ D.Haggard
2013 年 9 月 14 日，天文学家在银河系中心的超大质量黑洞（人马座 A*）中捕捉到有史以来最大的 X 射线耀斑。在 X 射线中，在这些分辨率下看不到事件视界；“光”纯粹是圆盘状的。但是，我们可以确定只有留在事件视界之外的物质才会发光；通过它的物质会增加黑洞的质量，不可避免地落入黑洞的中心奇点。
这意味着从黑洞周围发射的光子分布不均匀。相反，将会有“热点”方向，其中发射的光子密度大于平均水平，以及“冷点”方向，其中光子密度远低于平均水平。
重要的是要认识到吸积物质围绕黑洞运动，但黑洞和我们在地球上的有利位置之间的视线保持不变。因此，我们期望看到我们对黑洞的任何看法都会发生周期性变化，因为黑洞外部物质的“热”成分会随着时间改变其位置，相对“冷”组件。
但是，一般来说，黑洞吸积盘发出的辐射太小，即使是我们最强大的望远镜也无法直接成像。只有当这种辐射以某种方式聚焦到一个非常狭窄的空间位置时，我们才有可能从如此遥远的银河系甚至河外距离看到它。幸运的是，大自然有这样一种“聚焦”机制：一种强烈的引力源，就像黑洞本身一样。
图片来源： Nicolle R. Fuller/NSF
这位艺术家的印象描绘了黑洞附近的光子路径。事件视界对光的引力弯曲和捕获是事件视界望远镜捕获阴影的原因。未被捕获的光子形成一个特征球体，这有助于我们确认广义相对论在这个新测试的体系中的有效性。
想象一下，如果有物质在黑洞处全向发光，会是什么样子。光会沿着各种可能的光路在黑洞周围加速，每个光子最终都会沿着一条直线远离黑洞，但从不同的方向来看。
现在，想象一下，你有一系列不同的物质源，而不是一个全方位发光的物质源，它们可能位于黑洞周围的任何地方，但在不同的位置和不同的方向上具有不同的密度（和发光亮度）。现在，你会有光子从黑洞向各个方向移动，但从远离黑洞的任何有利位置，只有少数光子会到达你的眼睛。
特别是，从黑洞外部旋转并沿着同一视线以一系列直线平行线发出的光将成为任何特定人观察到的光。无论您身处何处，您都会看到从黑洞事件视界周围加速射向您的光，以及任何能够沿着您的视线直接发光的物质，这些物质恰好是在你所看到的黑洞的“近侧”。
图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心/Jeremy Schnittman
由于黑洞周围的弯曲空间使光发生弯曲，黑洞，即使仅在射电波长范围内，也会表现出大量不同的特征。一些来自黑洞后面的物质，一些来自黑洞前面的物质，以及一些来自黑洞周围的光子将被弯曲并沿着任何特定的视线发射出去。
现在，我们来到了问题的核心：什么占主导地位？
如果黑洞“近侧”的物质简单地向各个方向发出非常强烈的光，包括远离黑洞（因此，朝向我们），我们期望从黑洞周围简单地看到整个区域孔被“照亮”，任何地方都没有阴影。它只会看起来像一个发光的圆盘。
另一方面，如果只是黑洞周围的加速物质发出光，那么光就会沿着各种路径弯曲，优先以平行于黑洞“边缘”的方式离开黑洞。事件视界，那么你会期望看到一个细而窄的“环”，它围绕着黑洞的外边缘，根本没有“圆盘”。
如果这两个因素都在起作用，那么您所看到的将只是哪种效应更占主导地位的函数。事实证明，这两个因素都在起作用，但它们在不同波长的光中起作用。如果建造一个像事件视界望远镜一样灵敏的望远镜阵列来探测红外波长的光，“夜光盘”效应将非常明显。但在它所观察到的非常长的射电波长中，“环”效应远远占主导地位。
图片来源：ESO/M. Kornmesser
这张潮汐破坏事件的插图显示了一个巨大的天体的命运，它不幸离黑洞太近了。它会在一个维度上被拉伸和压缩，撕碎它，加速它的物质，并交替吞噬和喷射它产生的碎片。具有吸积盘的黑洞在其特性上通常是高度不对称的，但比没有吸积盘的不活跃黑洞要明亮得多。
事实上，这就是为什么我们将我们生成的图像称为黑洞周围的“光子环”：因为这些是无线电波长光（或光子）的集合，它们主要在黑洞周围加速并“喷出” ”平行于黑洞周围事件视界的边缘。
然而，我们实际看到的不仅仅是一个与黑洞事件视界大小相同的均匀环。这两件事都是不真实的；我们观察到的环并不均匀，环的大小也不是黑洞事件视界的大小。
黑洞环不均匀的原因很容易理解，原因我们已经谈到：黑洞周围负责辐射发射的物质分布不均匀，而且也不均匀, 围绕黑洞的随机运动。相反，这种不对称分布的物质有一个首选的运动方向以及一组伴随它的流动。因此，我们看到的“环”有“亮点”和“暗点”，整体亮度以及个别亮点和暗点的亮度随时间变化。
图片来源：Event Horizo n Telescope 协作
这是我们银河系中心的超大质量黑洞 Sgr A* 的第一张图片。这是这个黑洞存在的第一个直接视觉证据。它是由事件视界望远镜 (EHT) 捕获的，该阵列将地球上现有的八个射电天文台连接在一起，形成一个“地球大小”的虚拟望远镜。它的测量质量为 430 万个太阳质量，使其成为所有黑洞中最小的超大质量黑洞之一，它的熵约为 10^91 k_B，大约是 138 亿年前可观测宇宙中所含熵的 1000 倍.
但事实是，与广义相对论预测的视界大小相比，我们看到的光子“环”的大小实际上膨胀了约 250%。这并不令人惊讶。这是在第一张事件视界望远镜图像显示之前就已经预测到的。但这是广义相对论固有的重要效应，必须了解这一效应才能准确预测我们以这种方式观察宇宙时将看到的情况。
主要问题是质量使空间弯曲，然后弯曲的空间影响所有物质和辐射穿过它的路径。这些在黑洞事件视界周围加速并以平行线发射的光子实际上是在追踪黑洞的“边缘”，但它们与其他任何事物一样，都受到空间曲率的影响。结果，当它们到达我们的眼睛时，它们带有离开源头时影响它们的弯曲空间的印记，每个黑洞都有自己的特定质量，会产生一个光子环，其半径与以下成正比，但是是事件视界对应的实际物理尺寸的 2.5 倍。
图片来源：Event Horizo n Telescope
有史以来第一个直接观测到的黑洞的著名图像，位于梅西耶 87 星系中心的那个，随着时间的推移而变化。不同日期的观察具有不同的特征，取平均值会使我们丢失数据的时变部分。
总的来说，重要的是要记住，尽管黑洞的形状是球体，但它们也拥有许多不对称的特性。他们：
它们围绕一个特定的轴以通常接近光速的速度旋转
拥有以圆盘状结构聚集在它们周围的物质，通常也有“块状”物质的流动
拥有足够的引力来加速周围的物质，然后弯曲从周围物质发出的光
然后由于强烈的引力而扭曲光的特性
创建一系列非均匀光子环，具有随时间变化和方向变化的亮度，尤其是在无线电频率下。
事件视界望远镜 (EHT) 合作拍摄的两个黑洞的大小比较：位于梅西耶 87 星系中心的 M87* 和位于银河系中心的人马座 A* (Sgr A*)。尽管 Messier 87 的黑洞由于时间变化缓慢而更容易成像，但从地球上看，银河系中心周围的黑洞是最大的。
随着超长基线射电干涉测量科学的不断进步，我们可以期望以更高的分辨率、更远的黑洞以及更大的多样性来捕捉黑洞事件视界的细节，包括它们的光子环和无线电频率。如果我们观察的是红外波长的光而不是无线电波长，我们可能更可能看到一个发光的圆盘而不是一个单纯的环，但在事件视界望远镜敏感的波长下，一个“环”是一个壮观的景象理论和观察相匹配达到极高精确度的案例。
