“甜甜圈”的狂歡年

文/倪思潔

黑洞照片、黑洞之王、黑洞系統(tǒng)高能量準(zhǔn)周期振蕩……2019年，物理領(lǐng)域迎來(lái)了一場(chǎng)黑洞研究的狂歡，這是偶然，也是必然，它讓人們有了圍觀宇宙奧秘的機(jī)會(huì)，也讓曾經(jīng)的諸多猜想有了被驗(yàn)證的可能。未來(lái)，它仍是物理領(lǐng)域的黃金熱點(diǎn)。2019年4月，物理領(lǐng)域以一張照片轟動(dòng)世界：在一張酷似“甜甜圈”的照片上，人類(lèi)首次看到了黑洞的樣貌。5500萬(wàn)光年外，遙遠(yuǎn)的M87星系中央，質(zhì)量約為太陽(yáng)65億倍的這個(gè)黑洞，引發(fā)了世界狂歡。黑洞照片的熱度尚未褪去，11月，中國(guó)天文學(xué)家依托我國(guó)自主研制的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級(jí)黑洞。與此同時(shí)，“慧眼”衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)黑洞系統(tǒng)中迄今最高能量的準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象，開(kāi)啟了研究黑洞系統(tǒng)的新窗口……從年頭到年尾，看似“甜甜圈”的黑洞不僅不“黑”，反倒成了2019年物理領(lǐng)域最熱門(mén)的“亮”點(diǎn)。

看，這就是黑洞

2017年4月，從赤道到兩極，6個(gè)不同地點(diǎn)，8座射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)，再加上為期2年的數(shù)據(jù)分析，一張模糊卻珍貴的黑洞照片終于在2019年4月10日21點(diǎn)整被公之于世。在這張黑洞照片上，明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)是吸積盤(pán)中黑洞周?chē)臍怏w和塵埃，由于這些氣體和塵埃有數(shù)十億攝氏度，因此發(fā)出了明亮的無(wú)線電波；中間的黑色部分，便是黑洞的影子了。有人說(shuō)黑洞像個(gè)“甜甜圈”，也有人調(diào)侃黑洞就是燒著的“蜂窩煤洞”。不過(guò)，在科學(xué)家心中，這張照片驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦引力理論對(duì)黑洞的預(yù)測(cè)，即由于光線無(wú)法掙脫黑洞的引力，在黑洞周?chē)?，存在一個(gè)由光線構(gòu)成、環(huán)繞中心黑色區(qū)域旋轉(zhuǎn)的亮環(huán)。11月，人類(lèi)首張黑洞照片的幕后團(tuán)隊(duì)——事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項(xiàng)目組，獲得2020年科學(xué)突破獎(jiǎng)——基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)。EHT 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人謝普·多爾曼在接受媒體采訪時(shí)表示，未來(lái)這個(gè)項(xiàng)目組有兩項(xiàng)工作，“一是能拍張更好的黑洞照片，二是未來(lái)10年里能拍到黑洞視頻”。黑洞照片公布后半年，北京時(shí)間11月28日凌晨，《自然》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的另一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)——發(fā)現(xiàn)迄今為止質(zhì)量最大的恒星級(jí)黑洞。一般來(lái)說(shuō)，恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡后形成的，過(guò)去幾十年，人類(lèi)只發(fā)現(xiàn)了大概20個(gè)恒星級(jí)黑洞，質(zhì)量均在3—20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。2016年年初，在浩瀚星海中，科學(xué)家盯上了一個(gè)表現(xiàn)異常的雙星系統(tǒng)，在這個(gè)雙星系統(tǒng)中，“走路拉風(fēng)”的B 型星表現(xiàn)出規(guī)律的周期性運(yùn)動(dòng)和不同尋常的光譜特征。這其中會(huì)不會(huì)包含一顆深藏不露的黑洞？對(duì)此科學(xué)家備感懷疑。此后，通過(guò)LAMOST 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研討人員計(jì)算出該雙星系統(tǒng)中果然存在一個(gè)約70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。恒星級(jí)黑洞，70倍太陽(yáng)質(zhì)量，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論預(yù)言的質(zhì)量上限。美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)·雷茨評(píng)論稱(chēng)，這將迫使天文學(xué)家改寫(xiě)恒星級(jí)黑洞的形成模型。論文第一作者、中科院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、研究員劉繼峰表示，科研團(tuán)隊(duì)將開(kāi)展“黑洞獵手”計(jì)劃，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測(cè)量近百個(gè)黑洞，并最終描畫(huà)出一幅黑洞群像。

10月26日，“慧眼”衛(wèi)星發(fā)布科研成果。科學(xué)家利用“慧眼”衛(wèi)星對(duì)X 射線雙星系列的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了黑洞和中子星附近的物質(zhì)發(fā)出的高能X 射線存在準(zhǔn)周期變化。準(zhǔn)周期振蕩是黑洞X 射線雙星系統(tǒng)的主要光變特征，這一觀測(cè)結(jié)果強(qiáng)烈支持了準(zhǔn)周期振蕩信號(hào)的非熱輻射起源，說(shuō)明黑洞臨近區(qū)域以非熱高能物理過(guò)程為主?！啊垩邸l(wèi)星發(fā)現(xiàn)了黑洞系統(tǒng)中迄今最高能量的準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象，開(kāi)啟了研究黑洞系統(tǒng)的新窗口?！薄盎垩邸毙l(wèi)星系統(tǒng)有效載荷總設(shè)計(jì)師、中科院高能物理研究所研究員盧方軍在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)?！盎垩邸毙l(wèi)星首席科學(xué)家、中科院高能物理研究所研究員張雙南告訴媒體，目前，“慧眼”衛(wèi)星研究團(tuán)隊(duì)將利用其在高能X 射線領(lǐng)域的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)這個(gè)方向的研究，目前，已經(jīng)產(chǎn)出了比此前更好的成果，并將于2020年年初對(duì)外發(fā)布。此外，張雙南表示，“慧眼”衛(wèi)星的后繼者——“增強(qiáng)型X 射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)”（簡(jiǎn)稱(chēng)eXTP）正處于方案設(shè)計(jì)階段，目前已落實(shí)的經(jīng)費(fèi)可以支撐項(xiàng)目走完方案設(shè)計(jì)階段和隨后初樣研制的第一階段，預(yù)計(jì)將于2027年發(fā)射。

黃金時(shí)代仍將繼續(xù)

1915年，36歲的愛(ài)因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了完整的廣義相對(duì)論方程。幾個(gè)月后，物理學(xué)家卡爾什瓦希得到了愛(ài)因斯坦方程解，成為現(xiàn)代意義上對(duì)于黑洞的第一次描述。過(guò)去的100年里，“黑洞”寄托著人類(lèi)對(duì)宇宙的無(wú)限遐想。以《星際穿越》為代表的眾多科幻作品直觀地展示著這種質(zhì)量巨大、引力極強(qiáng)、連光都無(wú)法逃逸的天體。1963年，新西蘭數(shù)學(xué)家科爾得到另外一個(gè)精確解，這一次黑洞是轉(zhuǎn)動(dòng)的。1964年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)射探空火箭，第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞的蹤跡?！袄碚摵陀^測(cè)的雙重突破，一下子吸引了大批天文學(xué)家、物理學(xué)家投入這個(gè)領(lǐng)域，所以在接下來(lái)的二三十年，關(guān)于黑洞的研究進(jìn)入了黃金時(shí)期?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍說(shuō)?！敖衲暧羞@么多有關(guān)黑洞的成果出現(xiàn)，可能是一種偶然，但黑洞研究一直是物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)?！敝袊?guó)科學(xué)院理論物理所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士蔡榮根告訴媒體。在茍利軍看來(lái)，2019年的這些黑洞研究成果，都是觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算能力積累到一定程度后的必然結(jié)果。張雙南介紹，國(guó)際上，黑洞研究動(dòng)用了幾乎所有天文觀測(cè)手段，呈現(xiàn)多波段、多信使的特征，多種波段觀測(cè)手段包括射電觀測(cè)、光學(xué)觀測(cè)、X 射線觀測(cè)、伽馬射線觀測(cè)等，多種信使觀測(cè)手段包括觀測(cè)電磁波、引力波、中微子等。

“一黑兩暗三起源”是當(dāng)前宇宙物理學(xué)的熱點(diǎn)研究課題，其中“一黑”指的就是黑洞。受訪專(zhuān)家預(yù)計(jì)，在可預(yù)期的未來(lái)，黑洞仍將是天體物理和理論物理領(lǐng)域關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

張雙南介紹，目前國(guó)內(nèi)部署了一批有關(guān)黑洞研究的技術(shù)設(shè)備，如“引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測(cè)器”衛(wèi)星、中法合作的太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目“天基多波段空間變?cè)幢O(jiān)視器”衛(wèi)星、“愛(ài)因斯坦探針”衛(wèi)星以及高海拔宇宙線觀測(cè)站、“平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡”等。國(guó)際上也部署了一批有競(jìng)爭(zhēng)力的研究項(xiàng)目，如歐空局的“雅典娜”X 射線天文望遠(yuǎn)鏡、詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡等?！拔磥?lái)，我們將看到關(guān)于黑洞更豐富的細(xì)節(jié)，更深入地了解黑洞的基本特征，黑洞內(nèi)部的物質(zhì)相互作用，黑洞周?chē)臍怏w運(yùn)動(dòng)以及噴流的產(chǎn)生和約束機(jī)制，并完善我們對(duì)于星系演化的認(rèn)知與理解。”茍利軍說(shuō)。對(duì)于理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，黑洞就像他們的理論實(shí)驗(yàn)室一樣?！昂诙词且Ψ浅?qiáng)的天體，可以用來(lái)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論的正確性，黑洞外面是否滿(mǎn)足廣義相對(duì)論的預(yù)言，甚至檢驗(yàn)量子引力效應(yīng)?！辈虡s根說(shuō)。斯蒂文·霍金在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)黑洞不是黑的，而是會(huì)向外發(fā)出熱輻射。這一輻射現(xiàn)象被稱(chēng)為霍金輻射，是一種量子引力效應(yīng)。此后，黑洞物理便成為理論物理學(xué)家關(guān)注的重要領(lǐng)域之一?！傲孔恿W(xué)和廣義相對(duì)論，是目前人類(lèi)描述微觀世界和宏觀世界的兩套理論，而黑洞物理是量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的交匯處，也是通向量子引力理論的窗口。”蔡榮根說(shuō)，“建立一個(gè)自洽的量子引力理論，理解引力的本質(zhì)是很多理論物理學(xué)家畢生的追求。”“目前，黑洞物理研究剛剛被打開(kāi)，數(shù)據(jù)精度還不夠高。”蔡榮根預(yù)計(jì)，未來(lái)將有越來(lái)越多的黑洞被觀測(cè)到，觀測(cè)數(shù)據(jù)精度也會(huì)越來(lái)越高，可以研究的相關(guān)科學(xué)問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越多。