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【南方日报】看完黑洞照片,他们还想听听黑洞的声音


稿件来源:南方日报 | 作者:钟哲 | 编辑:郑燕丽 | 发布日期:2019-04-12 | 阅读次数:


        春节期间,电影《流浪地球》激发了社会大众对空间科学的热情。10日,空间科学又一个重大突破到来:人类终于首次拍到了黑洞的照片。

        人类对黑洞的探索经历了哪些阶段?黑洞会对我们的生活带来什么影响?记者采访了中山大学(下称“中大”)、华南理工大学(下称“华工”)的专家学者。据悉,中大空间引力波探测“天琴计划”卫星升空并投入使用后,科研人员有望结合引力波与电磁波两种观测手段,在宇宙中看一场大质量黑洞并合的“有声电影”。

       

        黑洞在宇宙中广泛存在

        黑洞是基于爱因斯坦广义相对论所推导得出的理论预言。一个世纪前,爱因斯坦建立了广义相对论,将引力与时空的弯曲之间建立起联系,而黑洞就是时空被扭曲到极致之后的产物。当大量质量聚集在一个极小的范围内时,其周围的引力场强度会变得极强,以至于连光都无法逃脱,就形成了黑洞。

        “电影《星际穿越》中有一张非常震撼的照片,是因引力波探测获得诺贝尔奖的基普•索恩带领团队耗费一年时间模拟出来的。这也是学界公认的通过理论计算得到的最真实的黑洞图像。”华工物理与光电学院教授张向东介绍,在此之前人类并没有在真正意义上拍摄过黑洞的照片。

        一个不会反射光线的物体,怎样才能把它“拍”出来?著名物理学家霍金曾提出一个形象的比喻:在一个晚会中,男生都穿黑衣服,女生穿白衣服,男女两两配对跳舞。当把现场的所有灯都熄灭后,虽然我们依然看不到男生,但由于白衣女生正环绕着男生在转圈,我们就能知道那里有个男生在跳舞。

        “同理,黑洞本身不可见,但黑洞周围会环绕着许多物质,物质旋转陷入黑洞时会发光发热(产生电磁辐射),通过观测这些物质运行的轨道就可以推算黑洞的位置和大小。”张向东说。

        以质量为参照,黑洞可以划分为四类:比恒星质量小的黑洞,恒星级黑洞(质量与恒星相当或者是其几倍),中等质量黑洞(恒星质量的上百或上万倍),超大质量黑洞(恒星质量的上亿倍)。这次被拍到的M87星系中心的黑洞,质量是太阳的65亿倍。

        华工物理与光电学院教授文德华介绍,超大质量黑洞可能存在于每一个星系中,这也是星系维持稳定的原因。“比如在银河系中心就存在一个巨大的黑洞,它吸引着上亿颗恒星,让其围绕着银河系中心运转。”

        “由于距离极为遥远,虽然黑洞会对附近区域施加极强的引力作用,但它们的存在对人类几乎没有影响,公众不必担心。”中大物理与天文学院、天琴中心副教授胡一鸣说,当时爱因斯坦仅将黑洞视为一种理论推导,不愿相信它在宇宙中真实存在;然而后续的观测指出,黑洞在宇宙中广泛存在。

 

        “天琴计划”有助人类认识黑洞

        “看到照片时感到非常震撼,人类终于真正用眼睛看到这片黑暗。”中大物理与天文学院副教授申荣锋从事高能天体物理研究,他认为,黑洞照片的拍摄无疑能增添年轻学者和学生的信心和兴趣,让更多人加入到空间科学领域的研究中。“这是全球数百名科学家共同协作多年的成果,他们有的负责实际观测,有的进行数据处理,还有的负责理论分析。”

        申荣锋所在的团组主要利用传统的电磁波辐射手段研究黑洞。“电磁波观测的技术相对成熟。比如空间中某个区域突然变亮,可能是有一个恒星移动到黑洞附近,被引力捕获、撕碎,残骸变成了黑洞的‘食物’,从而让黑洞变亮。”通过观测恒星被黑洞瓦解的事件,研究黑洞亮度如何随时间变化,申荣锋和团组成员试图找到其与黑洞质量、自旋大小之间的关系。“这种方法可以应用于探测更多中等质量黑洞。观测更多的事件,人类就能更了解黑洞。”

        近年来,引力波探测技术让人类对黑洞有了另一层面的了解。以这次被拍到的M87星系黑洞为例,学界认为这种大质量黑洞在其成长过程中经历过双黑洞并合的过程,而这种并合会释放引力波信号,从而被引力波探测器发现。

        胡一鸣说:“由中山大学主导的引力波探测‘天琴计划’, 预期在2030年代早期发射三颗高精度无拖曳卫星,形成‘天琴’。”初步研究表明,天琴对于大质量黑洞双星的并合十分灵敏,即使并合发生在可观测宇宙的边缘,也可以被探测到,这对未来确定大质量黑洞的起源有重要意义。

        如果在邻近宇宙发生一次大质量双黑洞并合,“天琴”有望预测到并合的发生,并结合电磁波观测手段实现多信使天文学观测,让人类在宇宙中看一场既有图像(电磁波观测)又有声音(引力波观测)的“有声电影”,从而对黑洞并合过程开展更为深入、全面的研究。

 

        原文链接:https://static.nfapp.southcn.com/content/201904/12/c2107123.html?colID=2147483647&code=200&msg=登录成功&evidence=2644ba00-8b10-4889-8b42-3df4e463c746&firstColID=3829&appversion=5300

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