為什么當下熱衷于研究黑洞假說--科技--人民網

張田勘

2019年04月11日09:09  來源:光明日報
 
原標題:為什么當下熱衷于研究黑洞假說--科技--人民網

4月10日,被物理學家念茲在茲的黑洞之謎可能揭開,揭開黑洞之謎的行動全球同步。2019年4月10日,美國中部標準時間15:00(北京時間4月10日21時),全球6地(比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓)以英語、西班牙語、漢語和日語4種語言同步召開全球新聞發布會,公布事件視界望遠鏡(EHT)拍攝的超大質量黑洞照片以及相關研究成果。

黑洞的照片是什么樣,將揭示什么,也許參與研究的科學家最清楚,但未必完全清楚。但不外乎幾種結果。一是證實黑洞存在,但也是一種間接證明;二是證偽,黑洞不存在;三是不清楚,還將繼續探索。無論是哪種結果,都必然有其自身的重大意義。

黑洞的概念要追溯到很久以前科學家對宇宙的探索和思考。1783年,英國地理學家約翰·米歇爾(John Michell)提出,宇宙中存在一個致密天體,其密度可以大到連光都無法逃逸。1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,提出某些大質量恒星會終結為一個巨大的引力場(即后來所稱的黑洞),其能量之大連光都會被吸收進去。

1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)通過計算似乎證明了愛因斯坦的引力場方程,其計算結果表明,如果大量物質集中于空間一點(奇點),其周圍會產生一個界面——視界,一旦進入這個界面,即使光也無法逃脫。

1968年美國天體物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出了黑洞(black hole)這一術語來解釋此前許多物理學家所稱的宇宙中存在的引力場,即致密天體,其基本概念是,黑洞會吸入所有一切,包括光。光線不能逃脫的臨界半徑被稱為“視界面”,就是視線所能到達的界面。

但是,黑洞只是一種假說,沒有確鑿的證據證明其存在。由于黑洞無法直接觀測,只能憑借間接方式來證明其存在。例如,可以借由物體被黑洞吸入之前的因高熱而放出的γ射線和γ射線的“邊緣信息”來推測黑洞的存在,也可以由間接觀測恒星或星際云氣團繞行黑洞的軌跡來獲取黑洞的位置和質量的信息。

因為,如果黑洞存在,會把周圍恒星的氣體吸引到自己身邊,產生一個圍繞黑洞旋轉的氣體盤,即吸積盤。同時,當吸積氣體過多時,一部分氣體在掉入黑洞視界面之前,會在磁場的作用下沿轉動方向被拋射出去,形成噴流。通過吸積盤和噴流可以知道黑洞的存在以及它的位置。

但是,這也是間接的證據。更為有力的證據是為黑洞照相,以圖片來顯示黑洞的存在。要想觀測遙遠的黑洞,目前人類研制的任何單一天文望遠鏡都無法辦到。因此,在過去10多年時間里,美國麻省理工學院的科學家們聯合了全球多地的8臺天文望遠鏡同時對黑洞展開觀測,這8臺望遠鏡就形成了一個有效口徑等于地球直徑的虛擬大望遠鏡,即事件視界望遠鏡。

8臺望遠鏡分別是:南極望遠鏡、智利的阿塔卡馬大型毫米波陣、智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡、墨西哥的大型毫米波望遠鏡、美國亞利桑那州的亞毫米波望遠鏡、夏威夷的麥克斯韋望遠鏡、夏威夷的亞毫米波望遠鏡、西班牙的毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

從2018年起,又有格陵蘭島望遠鏡、位于法國的IRAM NOEMA天文臺和位于美國的基特峰國立天文臺加入后續的研究和校準工作。事實上,給黑洞拍照并非直接拍出黑洞的圖像,而是給出了許多數據,然后經過復雜的計算機處理過程,以拼出圖像。同時,有些缺失或模糊的部分,需要拼圖。因此,黑洞照片的拍攝和沖洗都費時費力,歷時兩年多才得出結果。

過去,物理學家基普·索恩為科幻影片《星際穿越》中的黑洞“卡岡圖雅”設計了一個圖像,是深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓環。現在,這個根據8臺望遠鏡的拍攝數據而衍生出來的黑洞圖片是否與物理學家想象中的圖像吻合,不得而知。

隨之而來的問題是,黑洞探索究竟是科幻還是具有真實和現實的科學研究意義。其實,無論證明黑洞的存在與否,探索本身都具有意義。這類探索不只是可以歸結為人類難以抑制的仰望星空的情結,而且也與腳踏實地互為表里。

探索黑洞的存在與否,可以間接推論宇宙是何時產生,以及如何產生的,由此也能了解宇宙之后地球是如何產生的,有了地球,才有了生物和人類。而且,同樣具有現實意義的是,了解黑洞也可以知道,宇宙是否因為大爆炸而產生,星系演化是否受到星系中的壯觀噴流的影響,以及可能最現實的是,黑洞的存在是否會影響到地球上的人類和生物的生存,以及地球的生態和生物多樣性。如果有影響,科學會采用什么樣的方式來預防、避免或者減少這樣的影響。

當然,探索黑洞還有更多的衍生意義。既然有黑洞,宇宙中可能也存在白洞,證明了有白洞的存在,也就間接證明了有黑洞的存在。白洞與黑洞正好相反,是一個只發射能量、不吸收能量的特殊宇宙天體,白洞的力是排斥力,與黑洞的吸引力相反。當白洞內超密態物質向外噴射時,會與它周圍的物質發生猛烈的碰撞,釋放出巨大能量。由此推斷,有些X射線、宇宙線、射電爆發、射電雙源等現象,可能會與白洞的這種效應有關。

另一方面,2015年發現的引力波也是黑洞探索的衍生意義,或者二者相互印證。這也意味著人類探索星空也可以通過搭積木的方式來完成拼圖。

(作者系科普作家)

(責編:劉婧婷、熊旭)

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