黑洞
——開啟“多信使”天文學(xué)的新時(shí)代

李驄

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049

1 什么是黑洞？

在牛頓力學(xué)建立后不久，法國(guó)物理學(xué)家拉普拉斯就提出如果天體的逃逸速度大于光速，那么我們就無(wú)法觀測(cè)到來(lái)自該天體的光，宇宙中存在很多這樣的黑天體[1]。這是早期關(guān)于黑洞的觀點(diǎn)，但是在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)框架內(nèi)光是電磁波而不是粒子，所以自然也不存在黑的概念。

愛因斯坦在1915年提出了廣義相對(duì)論，認(rèn)為引力是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。相對(duì)論方程是一個(gè)高度非線性偏微分方程，其求解過(guò)程比較復(fù)雜，沒有普遍解，只能給出某些特殊情況下的解。比如，相對(duì)論方程提出后不久，德國(guó)學(xué)者Schwarzschild就給出了在靜止球?qū)ΨQ條件下引力源外部引力場(chǎng)的解，使我們對(duì)引力場(chǎng)的性質(zhì)有了些了解。當(dāng)引力場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)就會(huì)形成特殊的時(shí)空區(qū)域，在某個(gè)特定的范圍內(nèi)所有的物質(zhì)(包括光)都只能向引力源靠近而無(wú)法逃逸，這個(gè)區(qū)域就是黑洞視界。比較巧合的是在球?qū)ΨQ情況下，黑洞的Schwarzschild半徑與拉普拉斯推測(cè)的光逃逸半徑大小一致[2]。

形成黑洞之前的天體性質(zhì)可能非常復(fù)雜，但是一旦塌縮成黑洞之后絕大部分信息就會(huì)丟失，只剩下電荷、質(zhì)量以及角動(dòng)量三個(gè)量來(lái)描述黑洞的性質(zhì)，這就是著名的 三毛 定理(又稱無(wú)毛 定理)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)黑洞都只存在于理論假設(shè)當(dāng)中，甚至愛因斯坦自己對(duì)于黑洞這樣的天體是否真正的存在也有些懷疑。

2 黑洞的觀測(cè)

在二十世紀(jì)二三十年代，很多學(xué)者開始對(duì)恒星的引力平衡以及塌縮過(guò)程產(chǎn)生興趣。首先，Chandrasekhar通過(guò)計(jì)算表明白矮星有質(zhì)量上限(約1.4太陽(yáng)質(zhì)量，稱為錢德拉塞卡極限)，如果超出這個(gè)質(zhì)量，電子簡(jiǎn)并壓將無(wú)法平衡白矮星的引力[3]。也就是說(shuō)，白矮星的質(zhì)量如果超過(guò)錢德拉塞卡極限，那么就會(huì)塌縮成一顆中子星。同樣，中子星也有質(zhì)量上限，如果超過(guò)這個(gè)質(zhì)量上限便沒有物理規(guī)律可以去平衡引力，就有可能會(huì)形成一個(gè)黑洞[4]。直到1967年第一顆脈沖星被發(fā)現(xiàn)，人類終于確定了中子星的存在，從而大大加強(qiáng)了對(duì)于黑洞存在的信心。黑洞無(wú)法直接輻射信號(hào)，因此我們沒有辦法對(duì)黑洞進(jìn)行直接的觀測(cè)。但是黑洞會(huì)對(duì)周圍的物質(zhì)有引力作用，因此我們可以通過(guò)對(duì)黑洞周圍的物質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)來(lái)確定黑洞的一些性質(zhì)。

黑洞距離遙遠(yuǎn)，所以其張角非常小。如果需要對(duì)黑洞周圍的細(xì)致結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，則需要望遠(yuǎn)鏡有很高的角分辨率(能夠分辨的距離最近的兩個(gè)物體稱為角分辨率)。比如離我們最近的超大質(zhì)量黑洞是位于銀河系中心的Sgr A*，其大小只有55微角秒(即使從北京看向上海的一顆芝麻都比這個(gè)角度要大！)。受到光衍射的影響，當(dāng)兩個(gè)物體靠得太近后在望遠(yuǎn)鏡上產(chǎn)生的光斑會(huì)靠近甚至無(wú)法分辨，而望遠(yuǎn)鏡的分辨率與望遠(yuǎn)鏡孔徑的大小成反比而與波長(zhǎng)成正比。一般而言，一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡孔徑越大，或者它收集的光線波長(zhǎng)越短，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能夠分辨的最小角度就越小。以毫米射電波為例，能分辨55微角秒的望遠(yuǎn)鏡口徑必須達(dá)到5 000 km，這無(wú)疑大大超過(guò)了單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力。因此，在過(guò)去10多年時(shí)間里，麻省理工學(xué)院(MIT)的科學(xué)家們聯(lián)合其他研究機(jī)構(gòu)的科研人員，開展了 事件視界望遠(yuǎn)鏡 項(xiàng)目。全球多地的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開觀測(cè)。這些望遠(yuǎn)鏡分別是：南極望遠(yuǎn)鏡(South Pole Telescope)；位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA)；位于智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡(Atacama Pathfinder Experiment)；位于墨西哥的大型毫米波望遠(yuǎn)鏡(Large Millimeter Telescope)；位于美國(guó)亞利桑那州的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(Submillimeter Telescope)；位于夏威夷的麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT)；位于夏威夷的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡陣(Submillimeter Array)；位于西班牙的毫米波射電天文所的30 m毫米波望遠(yuǎn)鏡。

事件視界望遠(yuǎn)鏡使用了 甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù) (VLBI) 技術(shù)，將這8個(gè)不同地點(diǎn)、同一時(shí)間觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并。在這種情況下，望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離，而非單個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑的大小，所以，事件視界望遠(yuǎn)鏡的分辨率相當(dāng)于一部口徑為地球直徑大小的射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率[5]?；赩LBI技術(shù)，天文學(xué)家終于給位于巨橢圓星系M87中心的黑洞拍下了第一張照片，從而給黑洞的存在提供了最有力的證據(jù)！

3 黑洞與多信使天文學(xué)

引力波是廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，被視為宇宙中的 時(shí)空漣漪 。引力波存在的間接證據(jù)其實(shí)早已存在。1974年物理學(xué)家約瑟夫?泰勒和拉塞爾?赫爾斯發(fā)現(xiàn)了一顆編號(hào)為PSR B1913+16的脈沖星，該脈沖星處于雙星系統(tǒng)中，其伴星也是一顆中子星。根據(jù)廣義相對(duì)論，該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量，從而軌道半徑和周期會(huì)不斷減小。自1974年，泰勒和赫爾斯對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，觀測(cè)值和廣義相對(duì)論預(yù)言的數(shù)值符合得非常好，這間接證明了引力波的存在[6]。泰勒和赫爾斯也因這項(xiàng)工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

物理學(xué)家們希望能夠在地球上直接探測(cè)到引力波，從而可以 聆聽 宇宙。引力波的探測(cè)也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的探索過(guò)程。早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫-韋伯設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)金屬鋁圓柱體與引力波的共振來(lái)探測(cè)引力波，并聲稱已經(jīng)探測(cè)到了引力波。遺憾的是他的實(shí)驗(yàn)沒能被其他物理學(xué)家重復(fù)，最終也沒有得到科學(xué)界的認(rèn)可。雖然韋伯沒有探測(cè)到引力波，但是鼓舞了后繼者。引力波在傳播過(guò)程中會(huì)引起空間發(fā)生細(xì)微的變化，因此蘇聯(lián)科學(xué)家首先提出可以通過(guò)用激光相干的方法測(cè)量距離的變化來(lái)探測(cè)引力波。后來(lái)美國(guó)科學(xué)家對(duì)這種方法進(jìn)行進(jìn)一步分析，總結(jié)了如何排除各種噪聲信號(hào)以提高靈敏度，并投入大量資金進(jìn)行引力波直接探測(cè)。經(jīng)過(guò)多年的堅(jiān)持，終于在廣義相對(duì)論提出100年的紀(jì)念日üü2015年9月14日，LIGO合作組宣布首次直接探測(cè)到了引力波。這是最好的紀(jì)念方式。這個(gè)引力波信號(hào)(圖1)與理論預(yù)期的兩個(gè)黑洞并合產(chǎn)生的信號(hào)特征完全一致，其中一個(gè)黑洞的質(zhì)量為36倍太陽(yáng)質(zhì)量，另外一個(gè)黑洞為29倍太陽(yáng)質(zhì)量[7]。這項(xiàng)偉大的探測(cè)結(jié)果不僅證明了廣義相對(duì)論的正確性，而且給黑洞存在提供了有力證據(jù)。

在第一次探測(cè)到引力波之后，天文學(xué)家就開始關(guān)注引力波的電磁對(duì)應(yīng)體，即是否可以通過(guò)引力波和電磁波來(lái)觀測(cè)天體源。2017年8月7日，Advanced LIGO和Advanced Virgo向全世界公布探測(cè)到了一例引力波信號(hào)GW170817。在2 s之內(nèi)Fermi衛(wèi)星就在同樣的方向探測(cè)到了一例伽馬暴信號(hào)。隨后，全球各個(gè)波段的望遠(yuǎn)鏡都開始對(duì)該區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，多個(gè)不同波段的望遠(yuǎn)鏡都看到了相應(yīng)的信號(hào)。這是人類第一次同時(shí)通過(guò)引力波和電磁波對(duì)同一天體源進(jìn)行觀測(cè)，這次的引力波信號(hào)來(lái)源于兩顆中子星的并合。這次的聯(lián)合觀測(cè)也讓我們對(duì)于伽馬暴的本質(zhì)以及宇宙中重金屬的形成等有了更深的認(rèn)識(shí)和了解！

圖1 LIGO Hanford探測(cè)器(H1)和Livingston探測(cè)器(L1)探測(cè)到的第一例引力波信號(hào)GW150914

除了電磁輻射以及引力波外，能給我們帶來(lái)宇宙信息的 信使 還包括宇宙線和中微子。不同于引力波探測(cè)需要非常高精度的儀器，宇宙線的探測(cè)相對(duì)容易，因此宇宙射線早在百余年之前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。如今宇宙線探測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)于能量較低的宇宙射線我們可以通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行直接測(cè)量，而能量較高的宇宙射線在進(jìn)入大氣的時(shí)候會(huì)與大氣分子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，因此我們可以在地面搭建探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量這些次級(jí)粒子而實(shí)現(xiàn)對(duì)原初宇宙線的間接測(cè)量?，F(xiàn)在我們對(duì)于宇宙線的認(rèn)識(shí)已經(jīng)非常深刻了，比如說(shuō)我們知道原初宇宙線的能量可以橫跨十多個(gè)量級(jí)，最高能量要遠(yuǎn)超于人類建造的加速器所能達(dá)到的能量。宇宙線的成分包含了從質(zhì)子到鐵核的各種成分，而且這些成分的比重也隨著能量發(fā)生變化。遺憾的是，雖然這些宇宙射線無(wú)時(shí)無(wú)刻不在沖擊著地球，甚至穿透我們的身體，我們卻一直不知道這些宇宙射線究竟從何而來(lái)。這是因?yàn)殂y河系中充滿了磁場(chǎng)，而這些帶電的宇宙線粒子在傳播過(guò)程中因?yàn)榇艌?chǎng)的偏轉(zhuǎn)會(huì)喪失原初的方向。不過(guò)幸運(yùn)的是宇宙線在傳播過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生中微子和伽馬射線，而通過(guò)探測(cè)中微子和伽馬射線就可以追蹤到宇宙線源的位置。為了尋找宇宙線源就發(fā)展起來(lái)了中微子天文學(xué)和伽馬射線天文學(xué)。

中微子又被稱為 幽靈粒子 ，其與物質(zhì)相互作用的概率很低，因此中微子在宇宙中傳播而幾乎不損失能量，這同時(shí)也給探測(cè)帶來(lái)了困難。中微子探測(cè)一般需要很大的探測(cè)器，比如1 km3的探測(cè)器。如此巨大的探測(cè)器顯然不是人力可以做到的，因此需要借助于大自然的力量。位于南極的IceCube中微子實(shí)驗(yàn)，就是以南極的冰層為探測(cè)介質(zhì)。中微子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，高能帶電粒子在水中或者冰層中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生藍(lán)紫色的切倫科夫光，而科學(xué)家就是通過(guò)光敏儀器探測(cè)這些藍(lán)紫色光來(lái)獲取中微子的信息。2017年9月，有一股很強(qiáng)的中微子流到訪了地球，位于南極的中微子實(shí)驗(yàn)IceCube很快就捕捉到了一個(gè)編號(hào)IceCube-170922A的中微子(圖2)。隨后全球各個(gè)波段的望遠(yuǎn)鏡也開始對(duì)這個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)中微子的方向與一個(gè)耀變體的方向吻合，而且這個(gè)耀變體正處于活躍期，從射電到甚高能伽馬射線波段都觀測(cè)到了來(lái)自這個(gè)耀變體的信號(hào)，這預(yù)示著耀變體有可能就是一個(gè)宇宙線源！大多數(shù)星系的中央都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，在一些星系中，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞周圍會(huì)形成由氣體、塵埃等組成的吸積盤，當(dāng)盤中的物質(zhì)落入黑洞中的時(shí)候部分引力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化為光，因此這些星系的中央會(huì)非常明亮。這些星系就成為活動(dòng)星系核(AGN)，而有一些AGN會(huì)產(chǎn)生相對(duì)論性噴流，當(dāng)這些噴流正對(duì)著地球時(shí)就被稱為耀變體。這次探測(cè)到的中微子能量比地球上最大的粒子加速器能量還高50倍，說(shuō)明黑洞周圍可能存在著高能粒子加速行為，而對(duì)于這些加速機(jī)制的了解無(wú)疑為我們了解黑洞的性質(zhì)提供了另外一個(gè)途徑。

圖2 中微子事例IceCube-170922A展示。顏色深淺表示信號(hào)探測(cè)時(shí)間，顏色越深表示探測(cè)時(shí)間越早

在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)我們只能通過(guò)電磁輻射去獲取宇宙的信息，而隨著引力波、宇宙線以及中微子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我們已經(jīng)可以通過(guò)多種不同的手段來(lái)對(duì)宇宙進(jìn)行了解。特別是近年來(lái)，我們對(duì)于引力波以及宇宙線的探測(cè)都取得了巨大的進(jìn)步，從而真正進(jìn)入多信使天文學(xué)的時(shí)代。值得注意的是，IceCube只是探測(cè)到了一個(gè)可能的宇宙線源，還沒有足夠的證據(jù)證明耀變體就是河外宇宙線起源，而關(guān)于銀河系宇宙線起源更是缺乏直接證據(jù)，因此關(guān)于宇宙線起源的研究只是打開了一扇窗口，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。我們國(guó)家完全自主建設(shè)的大型高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)將會(huì)對(duì)銀河系宇宙線源這一問(wèn)題發(fā)起沖擊[8]，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)宇宙線物理的研究，從而將多信使天文學(xué)帶到一個(gè)新的階段！