“甜甜圈”的狂歡年

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)域迎來了一場黑洞研究的狂歡，這是偶然，也是必然，它讓人們有了圍觀宇宙奧秘的機會，也讓曾經(jīng)的諸多猜想有了被驗證的可能。未來，它仍是物理領(lǐng)域的黃金熱點。2019年4月，物理領(lǐng)域以一張照片轟動世界：在一張酷似“甜甜圈”的照片上，人類首次看到了黑洞的樣貌。5500萬光年外，遙遠(yuǎn)的M87星系中央，質(zhì)量約為太陽65億倍的這個黑洞，引發(fā)了世界狂歡。黑洞照片的熱度尚未褪去，11月，中國天文學(xué)家依托我國自主研制的國家重大科技基礎(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)量最大的恒星級黑洞。與此同時，“慧眼”衛(wèi)星科研團(tuán)隊發(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)域最熱門的“亮”點。

看，這就是黑洞

2017年4月，從赤道到兩極，6個不同地點，8座射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測，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)是吸積盤中黑洞周圍的氣體和塵埃，由于這些氣體和塵埃有數(shù)十億攝氏度，因此發(fā)出了明亮的無線電波；中間的黑色部分，便是黑洞的影子了。有人說黑洞像個“甜甜圈”，也有人調(diào)侃黑洞就是燒著的“蜂窩煤洞”。不過，在科學(xué)家心中，這張照片驗證了愛因斯坦引力理論對黑洞的預(yù)測，即由于光線無法掙脫黑洞的引力，在黑洞周圍，存在一個由光線構(gòu)成、環(huán)繞中心黑色區(qū)域旋轉(zhuǎn)的亮環(huán)。11月，人類首張黑洞照片的幕后團(tuán)隊——事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項目組，獲得2020年科學(xué)突破獎——基礎(chǔ)物理學(xué)獎。EHT項目負(fù)責(zé)人謝普·多爾曼在接受媒體采訪時表示，未來這個項目組有兩項工作，“一是能拍張更好的黑洞照片，二是未來10年里能拍到黑洞視頻”。黑洞照片公布后半年，北京時間11月28日凌晨，《自然》雜志發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺的另一項重大發(fā)現(xiàn)——發(fā)現(xiàn)迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞。一般來說，恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡后形成的，過去幾十年，人類只發(fā)現(xiàn)了大概20個恒星級黑洞，質(zhì)量均在3—20倍太陽質(zhì)量之間。2016年年初，在浩瀚星海中，科學(xué)家盯上了一個表現(xiàn)異常的雙星系統(tǒng)，在這個雙星系統(tǒng)中，“走路拉風(fēng)”的B型星表現(xiàn)出規(guī)律的周期性運動和不同尋常的光譜特征。這其中會不會包含一顆深藏不露的黑洞？對此科學(xué)家備感懷疑。此后，通過LAMOST的觀測數(shù)據(jù)，

研討人員計算出該雙星系統(tǒng)中果然存在一個約70倍太陽質(zhì)量的黑洞。恒星級黑洞，70倍太陽質(zhì)量，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論預(yù)言的質(zhì)量上限。美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）臺長大衛(wèi)·雷茨評論稱，這將迫使天文學(xué)家改寫恒星級黑洞的形成模型。論文第一作者、中科院國家天文臺副臺長、研究員劉繼峰表示，科研團(tuán)隊將開展“黑洞獵手”計劃，預(yù)計在5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量近百個黑洞，并最終描畫出一幅黑洞群像。

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X射線雙星系列的觀測，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，這一觀測結(jié)果強烈支持了準(zhǔn)周期振蕩信號的非熱輻射起源，說明黑洞臨近區(qū)域以非熱高能物理過程為主。“‘慧眼衛(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，開啟了研究黑洞系統(tǒng)的新窗口。”“慧眼”衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷總設(shè)計師、中科院高能物理研究所研究員盧方軍在新聞發(fā)布會上說。“慧眼”衛(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)隊將利用其在高能X射線領(lǐng)域的觀測優(yōu)勢，繼續(xù)這個方向的研究，目前，已經(jīng)產(chǎn)出了比此前更好的成果，并將于2020年年初對外發(fā)布。此外，張雙南表示，“慧眼”衛(wèi)星的后繼者——“增強型X射線時變與偏振空間天文臺”（簡稱eXTP）正處于方案設(shè)計階段，目前已落實的經(jīng)費可以支撐項目走完方案設(shè)計階段和隨后初樣研制的第一階段，預(yù)計將于2027年發(fā)射。

黃金時代仍將繼續(xù)

1915年，36歲的愛因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了完整的廣義相對論方程。幾個月后，物理學(xué)家卡爾什瓦希得到了愛因斯坦方程解，成為現(xiàn)代意義上對于黑洞的第一次描述。過去的100年里，“黑洞”寄托著人類對宇宙的無限遐想。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、連光都無法逃逸的天體。1963年，新西蘭數(shù)學(xué)家科爾得到另外一個精確解，這一次黑洞是轉(zhuǎn)動的。1964年，美國科學(xué)家發(fā)射探空火箭，第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞的蹤跡。“理論和觀測的雙重突破，一下子吸引了大批天文學(xué)家、物理學(xué)家投入這個領(lǐng)域，所以在接下來的二三十年，關(guān)于黑洞的研究進(jìn)入了黃金時期。”中科院國家天文臺研究員茍利軍說。“今年有這么多有關(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。”中國科學(xué)院理論物理所研究員、中國科學(xué)院院士蔡榮根告訴媒體。在茍利軍看來，2019年的這些黑洞研究成果，都是觀測技術(shù)和計算能力積累到一定程度后的必然結(jié)果。張雙南介紹，國際上，黑洞研究動用了幾乎所有天文觀測手段，呈現(xiàn)多波段、多信使的特征，多種波段觀測手段包括射電觀測、光學(xué)觀測、X射線觀測、伽馬射線觀測等，多種信使觀測手段包括觀測電磁波、引力波、中微子等。

“一黑兩暗三起源”是當(dāng)前宇宙物理學(xué)的熱點研究課題，其中“一黑”指的就是黑洞。受訪專家預(yù)計，在可預(yù)期的未來，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。

張雙南介紹，目前國內(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應(yīng)體全天監(jiān)測器”衛(wèi)星、中法合作的太空望遠(yuǎn)鏡項目“天基多波段空間變源監(jiān)視器”衛(wèi)星、“愛因斯坦探針”衛(wèi)星以及高海拔宇宙線觀測站、“平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡”等。國際上也部署了一批有競爭力的研究項目，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。“未來，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，黑洞周圍的氣體運動以及噴流的產(chǎn)生和約束機制，并完善我們對于星系演化的認(rèn)知與理解。”茍利軍說。對于理論物理學(xué)家來說，黑洞就像他們的理論實驗室一樣。“黑洞是引力非常強的天體，可以用來檢驗廣義相對論的正確性，黑洞外面是否滿足廣義相對論的預(yù)言，甚至檢驗量子引力效應(yīng)。”蔡榮根說。斯蒂文·霍金在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)黑洞不是黑的，而是會向外發(fā)出熱輻射。這一輻射現(xiàn)象被稱為霍金輻射，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。“量子力學(xué)和廣義相對論，是目前人類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)和廣義相對論的交匯處，也是通向量子引力理論的窗口。”蔡榮根說，“建立一個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，數(shù)據(jù)精度還不夠高。”蔡榮根預(yù)計，未來將有越來越多的黑洞被觀測到，觀測數(shù)據(jù)精度也會越來越高，可以研究的相關(guān)科學(xué)問題也會越來越多。