“和黑洞當(dāng)朋友十年多了，我從它身上學(xué)到了很多東西。我覺(jué)得黑洞真的是宇宙中最優(yōu)雅、最單純的天體，為什么這么說(shuō)呢？”
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)
2019年4月10日，科研人員發(fā)布了首張人類捕獲的黑洞照片。很多人看到這張照片都覺(jué)得它像一個(gè)“甜甜圈”，那么這個(gè)“甜甜圈”真實(shí)的物理尺寸有多大呢？有1000億千米。但是因?yàn)檎掌械倪@個(gè)黑洞距離我們有5500萬(wàn)光年，因此看起來(lái)尺寸非常小，只有41微角秒。這個(gè)大小相當(dāng)于把量角器上的一度分成一億份，那一億分之一度就是這個(gè)“甜甜圈”的大小，可見這個(gè)黑洞非常之小。為了拍到黑洞，全球200多位科學(xué)家組成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，將遍布全球的8套珍貴的毫米波望遠(yuǎn)鏡陣列，組成了一個(gè)等效口徑和地球直徑差不多大的望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家收集到黑洞的信息后，又花了近兩年的時(shí)間，才得到了這張照片。
其實(shí)在2019年4月10日發(fā)布之前，我已經(jīng)看過(guò)這張照片了。但是得知大家都看到這張照片后，我十分興奮，比我當(dāng)初看到它時(shí)還要欣喜。這就好像你有一個(gè)朋友，大家都非常認(rèn)可你的朋友一樣。經(jīng)常有人問(wèn)我這樣的問(wèn)題：黑洞是什么？黑洞真的存在嗎？我們?yōu)槭裁匆芯亢诙矗?/span>這就是今天我想跟大家分享的三個(gè)話題。說(shuō)到黑洞，不得不提一位著名科學(xué)家——愛因斯坦。請(qǐng)不要只相信課本上愛因斯坦老年時(shí)候的照片，他年輕的時(shí)候相當(dāng)英俊瀟灑，絕不輸任何一位好萊塢明星，但更帥氣的還是他充滿智慧的大腦。104年前，他提出了廣義相對(duì)論，核心是愛因斯坦方程。他革新了原來(lái)的絕對(duì)時(shí)空觀。曾經(jīng)一次采訪中，愛因斯坦說(shuō)，我這個(gè)人就是比較堅(jiān)持，別人都認(rèn)為時(shí)間和空間是獨(dú)立的，而我認(rèn)為它們可能是一起的。如果用一句話來(lái)描述他的理論，就是物質(zhì)的質(zhì)量決定了時(shí)空如何彎曲，而時(shí)空彎曲決定物質(zhì)而如何運(yùn)動(dòng)。用一個(gè)彈簧床去模擬時(shí)空的話，放一個(gè)球，球有質(zhì)量，彈簧床就彎曲了，而彎曲了的彈簧床又會(huì)影響周邊物體的運(yùn)動(dòng)。舉個(gè)例子，現(xiàn)在大家都坐在舒服的椅子上，椅面其實(shí)已經(jīng)凹陷，如果你在椅面上放一個(gè)小球，會(huì)發(fā)現(xiàn)小球會(huì)自然地往椅面凹陷處滑動(dòng)。這其實(shí)就是，你決定了椅面怎么彎曲，而椅面的彎曲又決定了椅面上的物體如何運(yùn)動(dòng)。就在同一年，還在一站戰(zhàn)場(chǎng)上服役的德國(guó)物理學(xué)家史瓦西就給出了愛因斯坦方程的首個(gè)精確解，反映了什么呢？當(dāng)一個(gè)天體坍縮至一個(gè)臨界半徑時(shí)，物質(zhì)將繼續(xù)坍縮至中心奇點(diǎn)。這個(gè)臨界半徑就是事件視界半徑，在視界內(nèi)，其引力強(qiáng)大到連光都無(wú)法逃脫。如果連光都沒(méi)法逃脫，那么就是說(shuō)沒(méi)法看見它。1969年，約翰惠勒給它取名黑洞。惠勒就是《星際穿越》電影的科學(xué)顧問(wèn)，黑洞大牛。可惜的是，史瓦西英年早逝，沒(méi)有看到他提出的最簡(jiǎn)單黑洞模型被稱作史瓦西模型。連光都無(wú)法逃離因此天體內(nèi)部一片漆黑如果我們進(jìn)一步研究史瓦西的解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)性質(zhì)，你、我、我們所處的房子，其實(shí)都有自己的臨界半徑。也就是說(shuō)，如果把自己或者這棟樓壓縮到各自的臨界半徑的時(shí)候，就可能產(chǎn)生一個(gè)黑洞了。而當(dāng)物體被壓縮到不受控制持續(xù)往中心塌縮的時(shí)候，一個(gè)體積無(wú)限小的奇點(diǎn)也就出現(xiàn)了。我們把黑洞的臨界半徑叫作事件視界。給黑洞拍照的望遠(yuǎn)鏡其實(shí)就叫事件視界望遠(yuǎn)鏡。既然我們想拍一拍事件視界附近的情況，這說(shuō)明我們已經(jīng)認(rèn)同了，目前人類無(wú)法知道黑洞里面的情況。那么這個(gè)視界面的大小和我們有什么關(guān)系呢？如果把我自己壓縮成一個(gè)黑洞，那得壓縮成多小呢？視界面的大小和質(zhì)量有很大的關(guān)系：質(zhì)量越大，黑洞的視界面半徑越大，反之，質(zhì)量越小，視界面半徑就越小。如果把太陽(yáng)壓縮成一個(gè)黑洞，它的視界面半徑是3000米左右；把地球壓縮成一個(gè)黑洞，它的視界面半徑只有9毫米；把我壓縮成一個(gè)黑洞，估計(jì)視界面半徑比原子核還要小了。宇宙中究竟有沒(méi)有黑洞呢？有的，我就是觀測(cè)黑洞的。根據(jù)質(zhì)量，宇宙中的黑洞分為三類：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，超大質(zhì)量黑洞，還有介于兩者之間的中等質(zhì)量黑洞。目前，恒星級(jí)質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞我們都找到了確切的案例。唯獨(dú)介于兩者之間的中等質(zhì)量黑洞，我們目前還沒(méi)有找到確切的候選體，這也是待解的難題之一。其實(shí)，幾乎已知的每一個(gè)大質(zhì)量星系的中心都存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。那我們是怎么知道它們的呢？首張黑洞照片算是比較直接的證據(jù)，實(shí)際上，讓我們對(duì)黑洞了解更多的，反而是它的間接證據(jù)。就像我們看不到風(fēng)，但是我們可以通過(guò)風(fēng)吹動(dòng)衣服或旗幟來(lái)判斷風(fēng)的存在。對(duì)于黑洞，也是類似的觀測(cè)原理。大家現(xiàn)在看到的動(dòng)圖，其實(shí)是我們對(duì)銀河系中心的18顆恒星進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)16年的觀測(cè)后得到的一個(gè)結(jié)果。夏季，如果大家去比較偏僻而寬闊的地方，或者光污染比較弱的地方，抬頭應(yīng)該會(huì)看到一條銀河光帶。在這條光帶最寬的區(qū)域里，有一個(gè)茶壺狀的星座，這個(gè)星座中就是銀河系的中心。團(tuán)組進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)20多年觀測(cè)研究的就是銀心區(qū)域附近的恒星。這些恒星不僅在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且好像圍著一個(gè)看不見的中心在轉(zhuǎn)動(dòng)。我用五角星標(biāo)識(shí)出了這個(gè)地方。那么這個(gè)中心區(qū)有多小呢？比太陽(yáng)系還要小，只有地球到太陽(yáng)之間距離的130倍，但是這么小的區(qū)域居然包含了質(zhì)量為太陽(yáng)410萬(wàn)倍的天體。這么小的區(qū)域卻有這么大的質(zhì)量，我們不知道它是什么天體，它只可能是黑洞的候選體，是銀河系自己的黑洞。這些是我們通過(guò)恒星和氣體的運(yùn)動(dòng)判斷出來(lái)的。第二類間接證據(jù)是就是黑洞“吃”東西會(huì)發(fā)光。所以可以通過(guò)觀測(cè)黑洞發(fā)出來(lái)的光，去判斷黑洞的存在。我們都知道，黑洞是具有很強(qiáng)引力的天體，周圍的氣體會(huì)往黑洞的方向下落。大家回想一下，平時(shí)洗臉池中的水往下流的時(shí)候是不是一邊轉(zhuǎn)一邊流？黑洞“吃”東西也是這樣，被它“吃”掉的氣體也是一邊轉(zhuǎn)一邊往下落，最后在黑洞的周圍形成一個(gè)盤，我們管它叫吸積盤。大家可以想一想水力發(fā)電。水從高處落下，水所具有的強(qiáng)引力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)而發(fā)電。那么當(dāng)物質(zhì)和氣體從高處落下，掉到黑洞的時(shí)候，也一定會(huì)釋放出很強(qiáng)的引力勢(shì)能。這些引力勢(shì)能也會(huì)轉(zhuǎn)化為光和熱，而且轉(zhuǎn)化效率非常高。有多高呢？我們可以簡(jiǎn)單做個(gè)對(duì)比：煤的燃燒是化學(xué)燃燒，太陽(yáng)發(fā)光是核聚變。煤燃燒相當(dāng)于你在銀行存了10000億元，可以取出3元錢的利息；太陽(yáng)發(fā)光相當(dāng)于你在銀行存了1000元，可以取出7元的利息。黑洞對(duì)周圍物質(zhì)的吸積、吞噬所轉(zhuǎn)化的光和熱，相當(dāng)于你在銀行存了100元，可以取出少則十幾元，最多40元的利息。以超大質(zhì)量黑洞為例，如果把黑洞的吸積盤區(qū)域比作一個(gè)黃豆，普通星系就相當(dāng)于一個(gè)身高5萬(wàn)米的巨人，雖說(shuō)黃豆大小的活躍黑洞比巨人般的星系小千萬(wàn)倍，但每秒鐘發(fā)出的能量要強(qiáng)很多。這種小尺寸、大能量的性質(zhì)使我們推斷它可能是黑洞。
第三類證據(jù)是什么呢？現(xiàn)在你們聽到的是一種引力波的聲音。通過(guò)對(duì)這種引力波信號(hào)的研究，我們知道它對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的碰撞和并合，就好像我們看到了兩個(gè)黑洞“打架”的現(xiàn)場(chǎng)。我們可以推測(cè)這兩個(gè)黑洞有多大，質(zhì)量比是多少。所以，引力波也間接告訴了我們恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的存在。不論是黑洞的首張照片，黑洞對(duì)周圍氣體和恒星的影響，還是黑洞發(fā)光以及引力波等，這些直接或間接的證據(jù)都告訴了我們，黑洞是存在的。我們?yōu)槭裁匆芯亢诙茨兀?/span>我腦海中閃過(guò)的第一個(gè)理由是好奇心，畢竟很多時(shí)候我們是因?yàn)楹闷娑肴プ鲅芯?。但顯然這個(gè)理由并不能說(shuō)服大家。我們所處的銀河系里就有這么一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，我們?yōu)槭裁床蝗チ私馑兀窟@個(gè)超大質(zhì)量黑洞和我們?nèi)祟愑惺裁搓P(guān)系？它會(huì)不會(huì)影響到我們的日常生活？我給大家這樣分析一下，一方面，這個(gè)黑洞的質(zhì)量有410萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量那么大，它距離我們有2.6萬(wàn)光年。距離這么遠(yuǎn)，我們受到來(lái)自于它的引力微忽其微，所以引力的影響可以忽略了。但如果我們以銀河系中心為球心，以我們到銀河系中心的距離為半徑畫一個(gè)巨大的球，大家知道這個(gè)球里存在的質(zhì)量有多少嗎？900億倍太陽(yáng)質(zhì)量。900億和410萬(wàn)，差得不是一點(diǎn)點(diǎn)。所以，決定太陽(yáng)如何運(yùn)動(dòng)的不是黑洞，而是氣體、恒星，還有占比最大的暗物質(zhì)。這剛好驗(yàn)證了一句話——團(tuán)結(jié)就是力量。另一方面，活躍的黑洞會(huì)發(fā)光，并且發(fā)的光還很強(qiáng)。有意思的是，銀河系中間的黑洞并不活躍，它很寧?kù)o，所以它發(fā)出來(lái)的光和能量比較弱。又因?yàn)槲覀冸x它很遠(yuǎn)，所以等到這個(gè)黑洞到達(dá)地球表面的時(shí)候，強(qiáng)度就更弱了。況且，地球自帶兩大保護(hù)層，一層是大氣層，一層是磁場(chǎng)，它們保護(hù)我們免受高能粒子、高能光子的影響。綜合這幾點(diǎn)，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞所發(fā)出的光，對(duì)我們的影響可以忽略不計(jì)。銀河系中有上億個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞
除了銀河系中心的這個(gè)超大質(zhì)量黑洞，理論上，銀河系當(dāng)中還應(yīng)該存在上億個(gè)恒星級(jí)質(zhì)量黑洞。雖然目前只探測(cè)到了20多個(gè)，但一想到還有那么多的恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，我們是不是應(yīng)該關(guān)注一下呢？不管是超大質(zhì)量黑洞，還是恒星級(jí)質(zhì)量黑洞，對(duì)于人類而言，目前已知黑洞候選體帶來(lái)的引力影響都可以忽略不計(jì)。但是，既然每一個(gè)大質(zhì)量星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，那么黑洞和它所處的星系之間有什么關(guān)系呢？黑洞與星系的關(guān)系
請(qǐng)大家看看這張圖。這是離我們比較近的大星系中心的一個(gè)黑洞，星系中有一個(gè)名叫核球的部分，而這張圖片就反映了黑洞質(zhì)量和核球質(zhì)量的相關(guān)性。我們可以看到，它們兩者呈正相關(guān)性，也就是說(shuō)，黑洞質(zhì)量越大，它所居住的星系中心的核球質(zhì)量也會(huì)越大。這是不是說(shuō)明，黑洞的成長(zhǎng)和星系的成長(zhǎng)是相關(guān)的呢？目前這個(gè)問(wèn)題還是一個(gè)未解之謎，所以對(duì)黑洞的研究能夠幫助我們認(rèn)識(shí)星系，認(rèn)識(shí)黑洞和星系的關(guān)系。除了對(duì)研究星系有很大的幫助，對(duì)研究整個(gè)宇宙的歷史，黑洞的功勞同樣功不可沒(méi)。如果把我比作一個(gè)活躍的黑洞，我正在吃東西，正在發(fā)光，我發(fā)出的光會(huì)經(jīng)過(guò)一排一排又一排的觀眾直達(dá)最后一個(gè)觀眾的眼里，因?yàn)榻裉爝@個(gè)場(chǎng)地很小，所以光減弱的效應(yīng)非常弱。可是如果距離我們幾十億光年之外，光穿越到地球都需要幾十億年的話，那這個(gè)黑洞發(fā)出的光會(huì)非常強(qiáng)，光會(huì)經(jīng)過(guò)很多的星際介質(zhì)直到地球。望遠(yuǎn)鏡最終記錄下的光譜是這樣的，上面有很多的凹陷區(qū)域，我們把它們叫作吸收線，吸收線反映了黑洞發(fā)出的光在穿越的過(guò)程中，星際介質(zhì)所留下的痕跡。
大家現(xiàn)在看到的是我拍攝到的活躍黑洞的光譜，通過(guò)研究黑洞的光和光上留下的痕跡，我們可以研究星際介質(zhì)的分布有多少，它們是怎么分布的。所以，研究黑洞有利于研究宇宙的歷史。雖然超大質(zhì)量黑洞、恒星級(jí)質(zhì)量黑洞在銀河中對(duì)我們的影響非常小，但對(duì)于研究黑洞自身、黑洞與星系、黑洞與宇宙來(lái)說(shuō)，黑洞的研究都是非常關(guān)鍵的。黑洞還有很多的秘密沒(méi)有解決，這都促使我們一定要去研究黑洞。不知道我上述說(shuō)的理由能不能說(shuō)服大家，黑洞研究其實(shí)是非常有意義的，有價(jià)值的。那我們到底該怎么研究黑洞呢？前面提到的直接證據(jù)或者間接證據(jù)，一方面證實(shí)了黑洞的存在，另一方面也是研究黑洞的好素材。下面我給大家講一講，我是如何利用黑洞發(fā)出的光來(lái)探測(cè)黑洞周圍氣體的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而知道黑洞的質(zhì)量的。地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)示意圖
先給大家看一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，這是太陽(yáng)和地球運(yùn)轉(zhuǎn)的示意圖。我們知道地球圍著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，它們是圍繞著共同的質(zhì)心在轉(zhuǎn)動(dòng)。如果我知道地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的速度是多少，再知道太陽(yáng)和地球的距離是多少，我就能算出太陽(yáng)的質(zhì)量是多大了。這張圖是我們對(duì)一類活躍黑洞做的簡(jiǎn)易模型圖。中間是黑洞，旁邊的區(qū)域是氣體下落形成的吸積盤，吸積盤外還有一些氣體云塊。通過(guò)拍攝黑洞發(fā)射的光，我想知道兩個(gè)信息：氣體云塊距離黑洞有多遠(yuǎn)？氣體云塊圍繞黑洞轉(zhuǎn)的速度是多少？就有點(diǎn)類似通過(guò)觀測(cè)銀河系中心黑洞附近的恒星運(yùn)動(dòng)，從而算出銀河系中心黑洞的質(zhì)量。圖左是人類看到的第一個(gè)活躍黑洞——3C 273的照片，這是我們?cè)诠鈱W(xué)波段可以看到的它的樣子。它像一個(gè)星點(diǎn)，所以我們把它叫作類星體（類似恒星的星體）。實(shí)際上，它是一個(gè)活躍星系的中心，也就是一個(gè)黑洞。圖右是這個(gè)黑洞的光譜，它包含了很多個(gè)頻率的信息，反映了在比較小的頻率波段，光的強(qiáng)度有多強(qiáng)。而我的工作是什么呢？我的工作就是從技術(shù)上去分析這樣的光譜，從而找出哪些是吸積盤發(fā)出的，哪些是氣體云塊發(fā)出的。就拿這個(gè)光譜來(lái)說(shuō)吧，氣體云塊發(fā)出的光是發(fā)射線，而吸積盤發(fā)出的光是連續(xù)的，如果做一個(gè)擬合的話，就是圖中連續(xù)譜的情況。通過(guò)研究氣體云塊發(fā)出的信號(hào)，我就能知道氣體云塊圍繞黑洞轉(zhuǎn)的速度，再基于一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從連續(xù)譜的信息中，我又能知道氣體云塊距離黑洞有多遠(yuǎn)。有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)，我就可以算出黑洞的質(zhì)量有多大了。和黑洞當(dāng)朋友十年多了，我從它的身上學(xué)到了很多東西。我覺(jué)得黑洞真的是宇宙中最優(yōu)雅、最單純的天體，為什么這么說(shuō)呢？因?yàn)橥暾孛枋龊诙?，只需要三個(gè)參量就夠了：質(zhì)量、電荷（是否帶電，帶正電還是負(fù)電，帶多少電）、轉(zhuǎn)動(dòng)能力（角動(dòng)量）。可是要完整地描述我的大拇指指甲蓋，大家知道需要多少個(gè)參數(shù)嗎？上億個(gè)都不止。因?yàn)橹讣咨w由分子組成，分子有原子，原子又有原子核和電子，原子核又有質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子又有夸克，而要描述夸克又得要多個(gè)參數(shù)。三個(gè)參數(shù)和上億個(gè)參數(shù)相比，黑洞確實(shí)是一個(gè)非常單純的天體。雖然黑洞自身尺寸非常小，一個(gè)太陽(yáng)黑洞的視界半徑才3000米，一個(gè)地球黑洞的視界半徑才9毫米，但黑洞所居住的星系比它大多了。一個(gè)黑洞相當(dāng)于一個(gè)小黃豆，它所居住的星系相當(dāng)于一個(gè)直徑50000米的大球。盡管體積相差巨大，但這個(gè)小家伙每秒鐘發(fā)出的能量，發(fā)出的光卻是那個(gè)大家伙每秒鐘發(fā)出的幾千倍，甚至可能還會(huì)對(duì)那個(gè)大家伙產(chǎn)生一定的影響。有時(shí)候我會(huì)想，宇宙是一個(gè)很大的領(lǐng)域，我是研究黑洞領(lǐng)域的，而黑洞領(lǐng)域又很寬泛，我是通過(guò)觀測(cè)光來(lái)測(cè)黑洞的質(zhì)量；有的人是基于測(cè)好的黑洞質(zhì)量去研究黑洞和星系的關(guān)系；還有的人會(huì)研究吸收線的特征，研究星際介質(zhì)的情況……每個(gè)人研究的領(lǐng)域其實(shí)都非常小。從黑洞，我學(xué)到的道理：做個(gè)像黑洞那樣優(yōu)雅、純粹的人；就像黑洞很小，但仍可能對(duì)比它大許多的星系產(chǎn)生大影響；我們也很渺小，但我們是歷史長(zhǎng)河的一部分，也能激起一點(diǎn)水花 。
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