來一場“星際穿越”，探索黑洞和引力波的真相

什么是黑洞？什么是引力波？快速射電暴和外星人有什么關(guān)系？12月20日，在北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)舉辦了一場由天體物理學家、“慧眼”天文衛(wèi)星首席科學家張雙南教授的演講活動，這場演講也是《亦莊學院》創(chuàng)院的第一課，以“黑洞與中國慧眼天文衛(wèi)星”為演講主題，張雙南教授帶領(lǐng)觀眾展開了一場星際穿越，探索黑洞和引力波的真相，也引領(lǐng)觀眾感受了中國智造的“慧眼”天文衛(wèi)星的魅力。

講座現(xiàn)場

張雙南教授的演講是《亦莊學院》創(chuàng)院的第一課，張雙南教授是著名天體物理學家、中國科學院高能物理研究所研究員、粒子天體物理重點實驗室主任，國家天文臺空間科學部首席科學家以及“慧眼”天文衛(wèi)星首席科學家。本次演講主題主要聚焦于很多人都耳熟卻不能詳?shù)奈锢韺W奇景，近年來因其研究成果屢獲諾貝爾物理學獎而備受關(guān)注的——黑洞和引力波。

演講中，他首先為大家揭示了黑洞的秘密。

“未來幾十年上百年的時間里面，人類是能夠走出太陽系的”

張雙南首先播放了《星際穿越》中男主角穿越黑洞的畫面，并介紹了關(guān)于黑洞的定義：黑洞是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種奇異天體，在其視界內(nèi)，即使光子也無法逃脫它的引力束縛。它完全不發(fā)射和反射任何電磁波，儀器和肉眼都無法直接觀測到。1967年美國物理學家約翰·惠勒正式開始使用“黑洞”一詞。黑洞是一個密度足夠大的天體，其周圍的時空結(jié)構(gòu)使得其發(fā)出的光也無法逃逸，因此這樣的天體是“黑”的。

《星際穿越》中展示的黑洞

黑洞確實存在，且在宇宙中為數(shù)眾多，可以用多種方式探測到。每個星系都存在幾百萬個小黑洞，每個星系中心都存在一個超大黑洞。關(guān)于黑洞的觀測方法，中科院物理所研究員曹則賢曾解釋道：“我們知道，黑洞自己的光是逃不出來的，所以不指望能直接觀測到它。那么，科學家們只能通過它的行為或者與背景的比照來判斷哪個地方有黑洞。首先，一個黑洞可能和另外一個星星組成一個雙星系統(tǒng)。這樣，通過觀測黑洞旁邊那顆星星的行為就能判斷出旁邊是否有大質(zhì)量的吸引中心，也就是黑洞。另外一個判斷依據(jù)就是黑洞的引力透鏡效應(yīng)，這就有些像通過鏡頭的光的路徑了。一個黑洞對于遠道而來經(jīng)過它的光可能會有透鏡效應(yīng)。如果觀測到這個透鏡效應(yīng)，就可以判斷出是否有黑洞存在。這就是所謂的間接觀測，因為黑洞不能直接看到(你不可以把黑的區(qū)域都歸結(jié)為存在黑洞），但可以從大范圍內(nèi)的一些行為判斷它存在不存在。”

2019年，第一張黑洞的照片問世，黑洞“照片”實際上是用視界望遠鏡拍攝的黑洞陰影。黑洞有著很強的引力，甚至光也無法逃脫。光線無法逃逸的臨界范圍稱為黑洞半徑或“視覺界面”。視覺界面外的物質(zhì)圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，形成明亮的吸積盤。中間有不規(guī)則光線的黑洞在明亮的背景下形成“陰影”。

當?shù)貢r間2019年4月10日，美國華盛頓，“事件視界望遠鏡”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學中心資深天文學家謝潑德杜勒曼展示人類史上首張黑洞照片。人民視覺 資料圖

黑洞真的完全無法抵達嗎？在回答記者提問時，張雙南也表示：“關(guān)于我們?nèi)祟惸懿荒苋ズ诙吹膯栴}，現(xiàn)在還不能，現(xiàn)在我們?nèi)祟愖约哼€沒有走出太陽系，所以人類真正的星際旅行還沒有開始，但是按照我們?nèi)祟惸壳鞍l(fā)展的步伐，我們?nèi)祟愡M入航天時代只有半個世紀的時間，在短短的時間，我們就從離開地球到了已經(jīng)人類的活動，人類的活動遍布了太陽系的幾乎每個角落。”

“所以在未來，我們相信在幾十年上百年的時間里面，人類是能夠走出太陽系的，但是我們和黑洞還是要保持距離，距離產(chǎn)生美。有的黑洞是不能去的，你在進入一些黑洞之前老遠就會被黑洞的中心引力吸引，被拉成細長的面條，最后被撕碎。有的黑洞是可以去的，比如說《星際穿越》里面選擇的相對比較穩(wěn)定的黑洞。我不建議真的到黑洞里面去，我們還不知道到了里面能不能回來?！睆堧p南說。

中國慧眼天文衛(wèi)星：活捉黑洞、快遞伽瑪暴、號脈中子星

2017年6月15日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號乙運載火箭，成功發(fā)射硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”，這是我國首顆大型X射線天文衛(wèi)星。它揭示的是宇宙中最驚心動魄的圖景：黑洞吞噬被撕裂的星星、脈沖星瘋狂旋轉(zhuǎn)、宇宙深處猛烈的爆炸……張雙南也幽默地將慧眼衛(wèi)星的任務(wù)總結(jié)為：“活捉黑洞、快遞伽瑪暴、號脈中子星”。

慧眼衛(wèi)星發(fā)射 來源：新華網(wǎng)

這顆衛(wèi)星全稱為硬Ｘ射線調(diào)制望遠鏡，由長征四號乙運載火箭送入550公里近地圓軌道。它將巡視銀河系中的X射線源，詳細研究黑洞和脈沖星，并監(jiān)測伽馬射線暴，探索利用脈沖星為航天器導航。它被命名為“慧眼”，寓意中國在太空“獨具慧眼”，能穿過星際物質(zhì)的遮擋“看”宇宙中的X射線，也為紀念推動中國高能天體物理發(fā)展的已故科學家何澤慧。

由于“慧眼”有較大的視場，對銀河系巡天是它最重要的使命?！拔覀冾A(yù)期會發(fā)現(xiàn)一些新的黑洞和中子星?！睆堧p南說，盡管其他國家已發(fā)射的同類衛(wèi)星開展過巡天觀測，但絕大多數(shù)Ｘ射線源都是變源，會不定期發(fā)生劇烈的耀發(fā)，不是一兩次巡天就能發(fā)現(xiàn)的，因此“慧眼”將反復(fù)開展巡天掃描，及時探測銀河系內(nèi)天體源的耀發(fā)。

演講現(xiàn)場

黑洞能產(chǎn)生Ｘ射線等各種輻射，還有可能產(chǎn)生高能宇宙線以及強烈的噴流。它們究竟在干什么？黑洞有時很“冷靜”，有時很“暴躁”。當它“發(fā)脾氣”時，產(chǎn)生的Ｘ射線流強特別高。國外的衛(wèi)星適合看“安靜”的黑洞，而“慧眼”特別適合看“暴躁”的黑洞和中子星。

慧眼衛(wèi)星對于我們?nèi)祟愇磥淼挠绊懯鞘裁?？張雙南說：“簡單來說就是對于宇宙的現(xiàn)象，讓大家的認識更加豐富，大家的談資多一點；從性質(zhì)來講，我們在慧眼衛(wèi)星當中還有一些新的技術(shù)，這些技術(shù)在工業(yè)當中有一些使用，只是我們感覺不到而已。最長遠來講，它可能會把我們整個人類帶向宇宙，希望我們未來可以做到?！?/p>

雙中子星合并的藝術(shù)效果圖  人民視覺資料圖

相關(guān)介紹：關(guān)于《亦莊學院》

《亦莊學院》是由北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)宣傳文化部主辦，尚亦城（北京）科技文化集團有限公司和北京實力電傳文化發(fā)展股份有限公司承辦的中國首個科技前沿新知系列講座活動，該系列活動定位為聚焦全球前沿科技普及、前沿產(chǎn)品發(fā)布，主打科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的大型科技前沿新知系列講座，是北京經(jīng)開區(qū)作為高新科技集聚高地推出的傳播科技前沿新知的品牌文化活動。

北京經(jīng)開區(qū)有關(guān)負責人介紹稱，活動的命名是對古希臘哲學家柏拉圖建立的“希臘學院”的致敬。創(chuàng)新文化對于經(jīng)開區(qū)文化特質(zhì)的形成具有重要意義，為了在亦莊新城乃至全市范圍內(nèi)營造創(chuàng)新文化氛圍，活動每年都將在全球范圍內(nèi)精選并邀請?zhí)幱诋斀袷澜缈萍记把氐捻敿壙茖W家擔任主講嘉賓，舉辦系列講座，以傳播全球前沿科技新知為宗旨，讓公眾在享受由科技新知帶來的樂趣的同時，提升科學素養(yǎng)。負責人同時表示，這是系列講座，以后還會有很多高質(zhì)量不同前沿科技領(lǐng)域的講座，《亦莊學院》將為北京打造創(chuàng)新文化做出“亦莊貢獻”。