出品：科技《科學(xué)大家》
撰文：茍利軍 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授
從天文學(xué)的角度來(lái)看， 2019年可謂是黑洞之年。
這一年，黑洞研究取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。4月10日，科學(xué)家發(fā)布首張全球唯一的黑洞照片；11月28日，中科院國(guó)家天文臺(tái)的科研人員又發(fā)現(xiàn)了銀河系當(dāng)中最大的恒星級(jí)黑洞，除此之外，美國(guó)科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了宇宙中最小質(zhì)量的黑洞。而這些發(fā)現(xiàn)中，毫無(wú)疑問(wèn)首張黑洞照片是最激動(dòng)人心的一件事。
銀河系內(nèi)最重的恒星級(jí)黑洞LB-1的藝術(shù)想象圖（喻京川繪）
1915年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，幾個(gè)月之后，身處德國(guó)戰(zhàn)壕中的物理學(xué)家卡爾·史瓦西（K。 Schwarschild）求得了愛(ài)因斯坦方程的精確解，這個(gè)解就是現(xiàn)在我們所知道的黑洞解，沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞解，這也是第一次現(xiàn)代意義上對(duì)于黑洞的描述。
在接下來(lái)的近一百年里，人類(lèi)對(duì)黑洞的研究?jī)H僅停留在理論上，我們對(duì)于黑洞長(zhǎng)什么樣幾乎一無(wú)所知。
一直到最近十多年，科技的發(fā)展讓人類(lèi)有機(jī)會(huì)去追尋、去探究黑洞真實(shí)的模樣。終于在2019年4月份，全球20個(gè)國(guó)家的300多位科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了第一張黑洞照片。
通過(guò)黑洞探尋的歷史，我們可以窺探整個(gè)科學(xué)發(fā)展的漫長(zhǎng)歷史。
說(shuō)到黑洞，或許我們會(huì)有一些恐懼感，因?yàn)樵诤芏嚯娪爸邪押诙炊济枋龀蔁o(wú)所不“吃”，甚至連光和時(shí)間都能夠停止的“巨人”，但是在一些物理學(xué)家的眼中，它又是非常神奇的，因?yàn)樗蛟S在未來(lái)會(huì)充當(dāng)時(shí)間之門(mén)的角色，帶領(lǐng)人類(lèi)快速地進(jìn)行宇宙穿越。
總體來(lái)說(shuō)，黑洞是既神秘又神奇的天體。黑洞引力非常強(qiáng)，所以要認(rèn)識(shí)它，我們就得從引力的發(fā)展歷史去探究。
萬(wàn)有引力發(fā)展史
談到引力，自然而然我們就會(huì)想到17世紀(jì)偉大的物理學(xué)家--牛頓，他坐在樹(shù)下，看到下落的蘋(píng)果，就意識(shí)到在宇宙中應(yīng)該存在一種普遍的力，現(xiàn)在我們稱(chēng)之為萬(wàn)有引力。
牛頓是一位非常偉大的物理學(xué)家，他不僅僅想到了這一點(diǎn)，他還讓這個(gè)想法“落地”了，他根據(jù)這個(gè)想法寫(xiě)下了一個(gè)非常經(jīng)典的公式：萬(wàn)有引力表達(dá)式。通過(guò)這個(gè)公式，我們知道，他認(rèn)為引力是因?yàn)槲矬w有質(zhì)量而存在的。
他把這一理論總結(jié)在經(jīng)典的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中。這一理論發(fā)表后得到了很多人的推崇，因?yàn)樗粌H可以很好地解釋天體在空間當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)，而且可以完美地預(yù)測(cè)天體未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
在接下來(lái)的幾百年中，他的理論不斷被驗(yàn)證，而且被更為廣泛的應(yīng)用，不僅在物理學(xué)中，還應(yīng)用在其他非常多的學(xué)科中。牛頓理論可以說(shuō)是現(xiàn)代科學(xué)的起源，但是到了19世紀(jì)，更多觀測(cè)的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家對(duì)牛頓理論提出了挑戰(zhàn)。20世紀(jì)初的時(shí)候，愛(ài)因斯坦首先提出了狹義相對(duì)論，十年之后又提出了廣義相對(duì)論。在這個(gè)新型的理論當(dāng)中，他提出了一種對(duì)引力全新的看法，他認(rèn)為引力并非由質(zhì)量直接產(chǎn)生，而是由有質(zhì)量的天體導(dǎo)致了宇宙時(shí)空的彎曲，彎曲的時(shí)空呈現(xiàn)出一種引力的效應(yīng)。
在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論的幾個(gè)月后，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西（K。 Schwarschild）就得到了這個(gè)復(fù)雜方程的精確解，但很遺憾的是，這個(gè)精確解雖然是黑洞的精確解，但是這個(gè)黑洞是沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞，而在宇宙當(dāng)中幾乎所有的天體都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，包括地球。所以，愛(ài)因斯坦看到這個(gè)精確解的時(shí)候，雖然很驚奇，但他并不相信這個(gè)解是真實(shí)存在的。
在接下來(lái)的幾十年中，由于戰(zhàn)亂、科技的限制，對(duì)于黑洞的研究可以說(shuō)是停滯的。僅僅在1939年，奧本海默和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量恒星坍縮有可能會(huì)形成一個(gè)奇點(diǎn)，這就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞，除此之外，對(duì)于黑洞的研究并沒(méi)有太大的進(jìn)展。
因?yàn)橛^測(cè)從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)黑洞的蹤跡，所以直到1955年愛(ài)因斯坦去世，他都沒(méi)有相信黑洞這類(lèi)神秘的天體是存在的。
黑洞研究黃金三十年
錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)拍攝的天鵝座X-1照片。 來(lái)源維基百科
時(shí)間到了60年代，1963年新西蘭的數(shù)學(xué)家科爾得到了廣義相對(duì)論方程另外一個(gè)精確解，這一次的黑洞解是轉(zhuǎn)動(dòng)的。而在一年之后的1964年，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)發(fā)射探空火箭，第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞的蹤跡，人類(lèi)歷史上第一個(gè)恒星量級(jí)的黑洞就此被發(fā)現(xiàn)，這就是我們現(xiàn)在熟知的天鵝座X1。
因?yàn)槔碚摵陀^測(cè)的雙重突破，一下子吸引了大批的天文學(xué)家、物理學(xué)家投入到這個(gè)領(lǐng)域中，所以在接下來(lái)的二三十年中，黑洞的研究進(jìn)入了黃金時(shí)期。我們現(xiàn)在知道幾乎所有的黑洞知識(shí)，都是在這二三十年中獲得的。
在這期間，有一位非常突出的學(xué)者：普林斯頓大學(xué)的惠勒教授。我們現(xiàn)在知道的黑洞這一詞，盡管不是他發(fā)明的，但經(jīng)過(guò)他的廣泛推廣，最終被大眾所熟悉。
除了惠勒之外，另外一位需要重點(diǎn)介紹的物理學(xué)家就是霍金。霍金在70年代，當(dāng)大家還認(rèn)為黑洞沒(méi)有任何輻射的時(shí)候，他就提出黑洞應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生輻射，這就是我們現(xiàn)在所知道的霍金輻射。這個(gè)輻射盡管非常微弱，但是0和1的差別卻是天壤之別。
在接下來(lái)的幾十年當(dāng)中，盡管人類(lèi)在理論上已經(jīng)取得了非常多的知識(shí)，但是黑洞究竟長(zhǎng)什么模樣，我們還是不知道。所以，最近一次對(duì)于黑洞最為震撼的描述，應(yīng)該是2014年上映的《星際穿越》電影。
這部電影中對(duì)于黑洞的展現(xiàn)也震撼到了我。不僅僅是我，作為電影科學(xué)顧問(wèn)的諾獎(jiǎng)得主--基普·索恩，他第一次看到高清旋轉(zhuǎn)黑洞的時(shí)候，同樣欣喜若狂。為了得到高清黑洞的展現(xiàn)，英國(guó)雙重否定公司利用30個(gè)人的團(tuán)隊(duì)，花費(fèi)了將近一年的時(shí)間，得到了8000TB的數(shù)據(jù)，最終呈現(xiàn)給影迷如此高清的黑洞渲染特效，并且他們發(fā)表了相關(guān)文章，來(lái)展現(xiàn)他們的計(jì)算技術(shù)。
從科學(xué)角度對(duì)于黑洞探測(cè)，一直沒(méi)有停止。十年前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段，我們可以把全球望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)，來(lái)自于全球很多國(guó)家的科學(xué)家就試圖對(duì)一些黑洞進(jìn)行真正的成像，他們把這個(gè)項(xiàng)目叫做視界面望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。
他們想看的兩個(gè)黑洞，一個(gè)是來(lái)自于銀河系中心的黑洞，另外一個(gè)位于大約5500萬(wàn)光年之外的M87黑洞，上圖右側(cè)展示的就是M87光學(xué)波段的黑洞。
需要多大的望遠(yuǎn)鏡才能真正看清楚中心黑洞的模樣？上圖就是非常好的說(shuō)明。藍(lán)色代表是哈勃望遠(yuǎn)鏡所拍攝到的圖像，而最中間的圓環(huán)就是我們所想拍攝的黑洞的尺度。這兩者之間相差至少幾千倍。所以，如果我們要利用目前最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡的口徑要達(dá)到幾公里左右，才能分清中心黑洞的模樣。
科學(xué)家沒(méi)有辦法去制造如此巨大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，他們發(fā)展出了一套稱(chēng)之為VLBI聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把全球幾乎所有的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡連成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑可以達(dá)到1萬(wàn)多公里，就可以對(duì)中心黑洞進(jìn)行成像，這些望遠(yuǎn)鏡通常都位于海拔非常高的地方，這是為了減少大氣對(duì)于電磁波的吸收。
除了觀測(cè)設(shè)備需要不斷改進(jìn)之外，理論方面也需要做大量模擬，因?yàn)楹诙粗車(chē)浅?fù)雜。利用簡(jiǎn)單的紙和筆，科學(xué)家已經(jīng)很難對(duì)氣體在黑洞周?chē)倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出描述，這時(shí)需要相對(duì)論型的磁流體力學(xué)，每一次計(jì)算都需要上千個(gè)CPU，運(yùn)算好幾個(gè)月。
視界面望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)對(duì)于各種不同情形做出了最終計(jì)算，上圖展示了其中計(jì)算得到的部分結(jié)果。終于一切準(zhǔn)備就緒，2017年4月10日到15日，他們利用全球8個(gè)不同地方的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)這兩個(gè)黑洞進(jìn)行了觀測(cè)，最終得到了大約5 PB的數(shù)據(jù)。
因?yàn)閿?shù)據(jù)量非常大，而且有一個(gè)望遠(yuǎn)鏡位于南極。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)很難將數(shù)據(jù)傳輸回來(lái)，或許未來(lái)5G技術(shù)成熟以后，我們可以直接進(jìn)行傳輸，科學(xué)家采用的方法是將數(shù)據(jù)拷貝到磁盤(pán)上，用飛機(jī)運(yùn)回到數(shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)中心有兩個(gè)，一個(gè)位于美國(guó)的MIT，另一個(gè)在德國(guó)。得到數(shù)據(jù)以后，科學(xué)家進(jìn)行相關(guān)分析，采用不同的方式對(duì)圖像進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)以后，進(jìn)行重構(gòu)，最終得到我們所看到的黑洞照片。在得到黑洞照片的同時(shí)，科學(xué)家已經(jīng)做了數(shù)值的模擬，與數(shù)值模擬庫(kù)相比較，從而可以推斷黑洞的性質(zhì)。這就是2019年4月10日晚上9時(shí)在全球發(fā)布的第一張黑洞照片。
有了黑洞照片，與先前已經(jīng)得到的數(shù)值結(jié)果相比較，科學(xué)家就可以推斷出有關(guān)于黑洞的性質(zhì)?；蛟S大家會(huì)對(duì)《星際穿越》電影當(dāng)中的黑洞印象非常深刻，當(dāng)然，我們沒(méi)有辦法飛到M87周?chē)プ鲆恢苯颖容^，但是我們可以借助現(xiàn)代性能非常發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬整個(gè)過(guò)程。你可能會(huì)問(wèn)：“為什么我們這次看到的第一張黑洞照片和《星際穿越》電影當(dāng)中的照片竟然差別如此之大？”
主要的原因是我們看的黑洞視角不一樣， 拍攝M87是沿著黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向去看的，但是《星際穿越》電影中是沿著赤道方向展示的黑洞模樣。這是兩者之間最大的差別。
現(xiàn)代科技不僅僅給黑洞研究帶來(lái)了非常大的便利，而且在講述科技對(duì)天文研究所帶來(lái)影響時(shí)，引力波是一個(gè)非常值得一講的話題。引力波可以說(shuō)是時(shí)空當(dāng)中的漣漪，它是致密天體在宇宙中碰撞或者爆發(fā)時(shí)釋放出來(lái)的巨大能量，對(duì)時(shí)空所產(chǎn)生的一種波動(dòng)。
這個(gè)波動(dòng)非常微弱，我們知道，氫彈是地球上破壞力最大的一種武器。當(dāng)年前蘇聯(lián)所嘗試的氫彈達(dá)到了5000萬(wàn)噸當(dāng)量，可以說(shuō)是所有氫彈當(dāng)中破壞力最大的一次。如果我們能夠站在氫彈爆發(fā)的最中心，去測(cè)量它對(duì)時(shí)空的干擾，干擾僅僅為10的負(fù)27次方。一個(gè)原子核的大小是10個(gè)負(fù)18次方米，一個(gè)頭發(fā)絲的大小是10的負(fù)5次方米。一比較我們就可以看出，這個(gè)氫彈盡管對(duì)周?chē)奈矬w造成了極大破壞，但是對(duì)于時(shí)空幾乎是毫發(fā)無(wú)損。
假如有一天，一個(gè)非常強(qiáng)大的引力波穿越地球的時(shí)候，會(huì)對(duì)地球上的人類(lèi)造成什么影響？它會(huì)不斷地拉伸人類(lèi)。
上圖是以一種夸張的方式展示了引力波對(duì)人的影響，一個(gè)人會(huì)突然變瘦，或突然變胖。但實(shí)際上，引力波帶來(lái)的人體的變化都沒(méi)有一個(gè)原子核大。
2015年9月，人類(lèi)第一次探到引力波，是由美國(guó)的引力波激光天文臺(tái)探測(cè)到的，這次引力波的效應(yīng)僅僅只使得一個(gè)原子的尺度發(fā)生了變化，只有10的負(fù)18次方米。
由此也說(shuō)明，我們現(xiàn)代的科技已經(jīng)能夠做到如此精密的測(cè)量。
從1915年提出廣義相對(duì)論，1916年引力波被預(yù)測(cè)，到2015年引力波第一次被直接探測(cè)到，人類(lèi)整整經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的探索。
引力波也幫助人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了很多意想不到的事情，原來(lái)我們根本沒(méi)有想到在宇宙中，會(huì)存在著很多質(zhì)量非常大的黑洞。紫色的原點(diǎn)就是代表傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡所看到的黑洞質(zhì)量，藍(lán)色是引力波幫助我們發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量非常大的黑洞。所以，引力波成為人類(lèi)探索黑洞的一個(gè)新窗口。
下一步：拍攝黑洞動(dòng)態(tài)照
在接下來(lái)的很多年內(nèi)，還有一些其他更大的項(xiàng)目正在進(jìn)行。比如美國(guó)的LSST項(xiàng)目（即：Large Synoptic Survey Telescope，大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡）。我們現(xiàn)在所看到的很多宇宙都是一個(gè)靜態(tài)的宇宙，比如我們會(huì)看到一幅非常漂亮的圖畫(huà)，而這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的目的就是要制作宇宙的一幅動(dòng)畫(huà)圖。它的數(shù)據(jù)量每晚上可以達(dá)到15TB，這對(duì)于目前的計(jì)算處理能力來(lái)說(shuō)是非常大的挑戰(zhàn)。
當(dāng)然還有更大的挑戰(zhàn)在等待著我們，中國(guó)參與的另外一個(gè)大型項(xiàng)目平方公里陣射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometre Array， SKA）。它的尺度可以達(dá)到一平方公里以上，包含2萬(wàn)多個(gè)小型望遠(yuǎn)鏡，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到2TB。所以，如何去處理這么龐大的數(shù)據(jù)，的確是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。
縱觀整個(gè)人類(lèi)科學(xué)史的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展得益于天文學(xué)的觀測(cè)。過(guò)去的幾十年，天文學(xué)又從現(xiàn)代科技中受益無(wú)數(shù)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)幫助科學(xué)家可以去發(fā)現(xiàn)一個(gè)更廣闊和更神奇的宇宙。天文學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，我對(duì)麻省理工學(xué)院的校長(zhǎng)在引力波發(fā)現(xiàn)之后所說(shuō)的一段話深表贊同，他說(shuō)道：“基礎(chǔ)科學(xué)是非常辛苦、嚴(yán)謹(jǐn)和緩慢的，又是非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果沒(méi)有基礎(chǔ)學(xué)科，最好的設(shè)想就無(wú)法得到改進(jìn)，創(chuàng)新也只能是小打小鬧，只有隨著基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，我們整個(gè)社會(huì)才能夠取得進(jìn)步。”
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