首張銀河系中心黑洞照片背后:科學(xué)家耗數(shù)十年研究
2022年06月13日 08:54 來源:中國青年報

  中國科學(xué)院上海天文臺研究員袁峰算是和“甜甜圈”結(jié)下一生的緣分了——5月16日,由他參與的事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目(EHT)拍攝到了首張銀河系中心超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*”的第一張寫真照片——一個巨大的宇宙“甜甜圈”。

  這張寫真,來自2.7萬光年之外的銀河系中心。中國大陸有16位研究人員參與了這項(xiàng)工作,袁峰是其中之一。

  從1994年攻讀天體物理學(xué)博士至今,袁峰已經(jīng)在與“甜甜圈”們打交道的路上堅(jiān)持了28年。5月的這張照片,其實(shí)是EHT團(tuán)隊(duì)第二次拍到的黑洞寫真。第一次發(fā)布黑洞照片是在2019年4月。那時,EHT組織宣布得到了第一張黑洞M87的照片。該照片的中心是一個近似圓形的黑暗區(qū)域,該區(qū)域被一個發(fā)光的亮環(huán)保衛(wèi),酷似一個金色的“甜甜圈”。

袁峰在科普講座上向公眾解說宇宙“甜甜圈”。受訪者供圖
袁峰在科普講座上向公眾解說宇宙“甜甜圈”。受訪者供圖

  很多人不明白,既然科學(xué)家早在2019年就已經(jīng)拍到了黑洞寫真,為何還要在2022年再拍一次呢?科學(xué)家想要證明什么問題呢?

  袁峰告訴中青報·中青網(wǎng)記者,實(shí)際上,一張張“甜甜圈”黑洞寫真,看似雷同,但它們都有其在不同假設(shè)環(huán)境中的重要價值。

  “我們拍到的照片,準(zhǔn)確來說,不是黑洞本身,而是黑洞周圍的吸積流。這些吸積流被一個強(qiáng)大的中心引力吸引,而這個引力就來自黑洞!痹逭f,“甜甜圈”外圈那個閃閃發(fā)光的金色圓環(huán),實(shí)際上就是吸積流,吸積流氣體在黑洞引力作用下向黑洞下落,下落過程中它們變熱、進(jìn)而發(fā)出強(qiáng)烈的輻射,照片中看到的明亮光環(huán),就是這些非常熱的氣體發(fā)出的輻射。

  天體物理學(xué)家納拉揚(yáng)等人的研究發(fā)現(xiàn),宇宙中存在兩種吸積流,一種是“正常”吸積流,另一種是“瘋狂”吸積流,前者磁場較弱,后者磁場很強(qiáng)。除了磁場外,兩種吸積流其他方面也存在很大不同,而且還決定了黑洞噴流的形成。

  袁峰告訴記者,黑洞寫真拍攝的一個重要價值在于其在強(qiáng)引力場環(huán)境下“檢驗(yàn)了愛因斯坦的廣義相對論”。廣義相對論是描述物質(zhì)間引力相互作用的理論,由阿爾伯特·愛因斯坦于1915年完成,1916年正式發(fā)表。這一理論首次把引力場等效成時空的彎曲。

  他介紹,100年前也有科學(xué)家對廣義相對論進(jìn)行過檢驗(yàn),但當(dāng)時都是在弱引力場環(huán)境下進(jìn)行的檢驗(yàn),而在弱場下,廣義相對論與牛頓力學(xué)兩種理論的差別不大。只有在強(qiáng)引力場的環(huán)境下,兩者才能出現(xiàn)較為明顯的差別。

  黑洞,正是那個用來檢驗(yàn)廣義相對論的、合適的強(qiáng)引力場。

  “廣義相對論和量子力學(xué)理論是目前物理學(xué)界最牛的理論,是現(xiàn)代物理學(xué)最重要的基礎(chǔ)!痹逭f,以人們?nèi)粘J褂玫男l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例,它也需要依靠廣義相對論,工程人員在這一理論基礎(chǔ)上,把“導(dǎo)航”變成了現(xiàn)實(shí),“舉個例子,用牛頓力學(xué)理論做導(dǎo)航的話,誤差可能是1-2公里,而要精準(zhǔn)定位,一定要依靠廣義相對論!

  如今科學(xué)家拍攝到的黑洞照片,與基于100多年前的廣義相對論計算出來的“黑洞模型照片”是相符合的,說明廣義相對論通過了這次檢驗(yàn)。

  袁峰不是EHT項(xiàng)目中的“拍照人”,而是該項(xiàng)目中解釋“為什么拍照”的理論研究者之一。

  “吸積流被吸進(jìn)去的過程中,產(chǎn)生了很多有趣的現(xiàn)象!彼榻B,黑洞本身不會發(fā)光,要找到黑洞,最重要的就是找到其周圍的吸積流氣體,“根據(jù)我們的計算預(yù)測,真正的黑洞比這幅‘甜甜圈’圖片中的黑色部分要小一些。”

  袁峰所說的“計算”,是求解一個復(fù)雜的黑洞吸積流方程組。這個方程的復(fù)雜程度,遠(yuǎn)超出一般人的想象。這個方程組從20世紀(jì)60年代開始就被科學(xué)家關(guān)注,每解出這個方程的一小步,都值得發(fā)表一篇高水平學(xué)術(shù)論文。20世紀(jì)90年代,袁峰在哈佛大學(xué)的博士后導(dǎo)師納拉揚(yáng)發(fā)現(xiàn)了該方程的一個創(chuàng)新性解,為人們理解宇宙中的黑洞邁出了重要一步,他本人因此當(dāng)選美國科學(xué)院院士。

  “我當(dāng)時寫了一篇還算不錯的論文,在一次韓國舉辦的國際會議上作了報告。”袁峰告訴記者,“導(dǎo)師后來告訴我,那次聽到我的報告,就想好要給我留一個博士后位子了!

  2002年到哈佛大學(xué)報到后,負(fù)責(zé)接待的天文系秘書在見到袁峰后說:“我早就想見到你了!有幾百人申請了教授的博士后位置,我想知道他把這個位置留給了一個什么樣的人!

  出乎這位知名教授意料的是,10年后的2012年,他最青睞的博士后袁峰通過理論分析和大規(guī)模數(shù)值模擬,首次論證了吸積流中確實(shí)存在很強(qiáng)的外流,從而推翻了他在1999年提出的著名的吸積流“對流”理論。直到2014年,納拉楊才在與袁峰的多次探討中,接受了他的最新研究成果。

  2005年,有著德國馬普射電天文研究所、美國哈佛大學(xué)和普渡大學(xué)博士后工作經(jīng)歷的袁峰,決定回國。“就是喜歡中國的文化和環(huán)境,國外的環(huán)境再好也不是為中國人設(shè)計的,在那里沒有歸屬感和認(rèn)同感!痹逭f。

  這種歸屬感和認(rèn)同感,就包括向中國大眾科普天文知識、天體物理知識。

  “全國只有十幾所大學(xué)有天文系,而美國排名前100的大學(xué),幾乎家家都有天文系。這個看似無用的學(xué)科,卻是最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。我想在更多學(xué)生心目中種下仰望星辰大海的種子。”袁峰說,我國快速發(fā)展至今,是時候要加強(qiáng)各個學(xué)科的基礎(chǔ)研究了,“基礎(chǔ)研究對國家長遠(yuǎn)發(fā)展意義重大!

  他也希望這張漂亮的“甜甜圈”照片,能成為青少年朋友們“遵循興趣、保持好奇心”的“誘餌”,“希望我們的孩子們未來選擇學(xué)習(xí)、工作方向時,都能遵循自己原本的興趣,保持對大自然的好奇。”

  之所以選擇天體物理,也是袁峰本人的興趣所在。讀碩士期間,他曾一度從理論物理專業(yè)換到量子化學(xué)專業(yè),但3年讀研時間里,他發(fā)現(xiàn)自己對廣義相對論的興趣與日俱增,“我覺得廣義相對論很優(yōu)美,很喜歡,所以我報考了中科大的天體物理專業(yè)博士,從此一直在研究天體物理。”

  中青報·中青網(wǎng)記者 王燁捷 來源:中國青年報

原標(biāo)題:首張銀河系中心黑洞照片背后:科學(xué)家耗費(fèi)數(shù)十年研究

編輯:葉霖嘉