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专家解读宇宙中最神秘天体——原来你是这样的黑洞

作者:jz   编辑:lw   浏览数:306   来源:盐城镜鉴网    [ ] 【纠错】 2019-4-15 8:02:52

4月9日,在中国科学院上海天文台,中方团队成员在讨论黑洞照片的成像原理。 新华社记者 金立旺 摄

对话嘉宾

苟利军 中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授

朱 进 北京市科学技术研究院科学传播中心首席科学家、北京天文馆馆长

黑洞真的存在吗,它究竟长什么样?这个困扰了人类上百年的问题,在4月10日有了答案——经过10多年准备,世界各地8个观测点组成的如同地球直径大小的事件视界望远镜,在集齐所有观测数据并深度分析后,得到了人类历史上首张黑洞“正面照”。

为什么黑洞如此神秘,这样难被发现?这张照片的公布又意味着什么?4月12日,记者特邀有关专家对此进行解读。

黑洞的存在有图有真相

记者:黑洞被公认为宇宙中最神秘的天体之一。其概念自诞生之日起便争议不断。黑洞究竟是什么,它真的是黑色的吗?

苟利军:黑洞是爱因斯坦广义相对论预言存在的一种密度非常大的特殊天体,它表面的引力大到任何东西都出不来。1915年,爱因斯坦广义相对论诞生。1916年,史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解释,他发现所有的星体都存在一个史瓦西半径,如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小,那么它就会变成一个黑洞。比如,太阳的史瓦西半径是3千米。

朱进:黑洞的质量极大、引力极强,连光也无法逃逸出去,它无疑是黑色的,而且直接观测是看不到任何东西的,这也是“黑洞”名字的由来。

记者:连光都被吞噬,人类又是如何研究黑洞的?

苟利军:黑洞自身不发光,体积很小,而且与地球的距离非常遥远。我研究黑洞快20年了,但包括我在内的科学家此前都没有真的看到过黑洞。这种天体以极端的方式影响着周围的环境,对周围的恒星、气体的运动产生巨大影响。科学家可测量这种作用和影响,如吸积盘、喷流现象等,间接观测黑洞。

朱进:在此之前,无论是理论预测,还是观测结果,都间接表明黑洞是存在的,但没有人知道它的真正模样。黑洞的行为、对周围物质的影响、背后的物理学原理,比任何科幻小说都更离奇古怪和令人费解。现在公布的照片,相当于第一次直接确认了黑洞的存在。

黑洞内部奥秘无限

记者:黑洞的神秘体现在哪,这次可以看到黑洞内部的情况吗?

苟利军:这次我们还只能看到黑洞的“外貌”,依然看不到黑洞的内部。这里我要介绍一个概念“视界面”。黑洞的全部质量可以认为几乎都集中在其最中心的奇点,奇点周围会形成一个强大的引力场,在一定范围内,连光线都无法逃脱。这个光线都不能逃脱的临界半径就被称为“视界面”,即视线所能达到的边界。我们这次能看到的,就是这个“视界面”。

我们现在知道的是,几乎所有星系的中心可能都有一个黑洞。黑洞还有一些非常神奇的效应,比如黑洞周围的时间会变得很慢,这是广义相对论当中的自然推论。时间和空间在一定程度上是等效的,所以在空间被扭曲的同时,时间也被拉长,时间被拉长以后就相当于变慢了。

此外,奇点的奇异性令人匪夷所思。理论上,三维时空会被压缩成一维,不管进去的是什么,在奇点处都只能成为体积为零、长度无限长的一根物质流,因此奇点使我们无从下手。惯常使用的广义相对论在奇点失去了光彩,我们对它的了解还很不够。

记者:黑洞的内部到底是什么,一个人要是真的掉进黑洞里会是什么感受?

苟利军:假如说是一个大质量黑洞的话,你真的接近黑洞的时候,离它近的点受到的引力要远远大于离它远的点,这个引力差叫潮汐力,它会把你往两边拉。当这个潮汐力特别大的时候,会把物体直接拉碎。所以我们实际的物体不可能真的进到黑洞里面,刚到那就完全解体了,人也不会有什么感受。

经典的理论认为,掉到黑洞里的物质都会朝着中心的奇点运动,最后聚集在那里。随着聚集的物质越来越多,质量也会变得越来越大,黑洞的半径也会变得越来越大。

朱进:我们在科幻小说里经常会看到类似假设。有人说进入黑洞以后可能会跑到另一个时空里,比如平行宇宙;也有人说黑洞的出口是“白洞”,物质不是只进不出,可能还有一个出口,它对应的那个点是往外出的;还有人认为黑洞可以充当星际空间旅行通道,能快速到达一个非常遥远的地方。当然,这些纯粹是理论推想,从实际观测来看没有任何证据。

记者:都说黑洞能吞噬一切,它会威胁到地球安全吗?

朱进:人们一提起黑洞会觉得是很可怕的事物,会把所有东西都吞噬掉。实际上从天文角度看,黑洞本身作为密度高质量大的天体,对离得很远的其他天体只有引力影响。

所谓的吞噬一切其实只是引力效果,由于质量很大所以引力很强。但是也不一定就会“掉”进去,周围的物体仍然会绕着黑洞转动。

北京天文馆有一个趣味展示装置叫“逃离黑洞”,参观者可以尝试亲手抛出“小钢珠”,避免其落入展示台中央的“黑洞”,以此感受黑洞周围强大的引力场分布。如果你能控制住“小钢珠”的速度和方向,就未必掉下去。

苟利军:地球没有被黑洞“吞噬”的危险。我们一般认为,质量大约为几十甚至几百倍太阳质量的恒星死亡后才会塌缩成黑洞。太阳不会变成黑洞,只会成为白矮星。即便将太阳替换为同等质量大小的黑洞,地球也不会有危险。因为只有和黑洞足够近,才可能被吞噬、撕裂,而地球处于安全距离。何况距离我们最近的黑洞有三千四百多光年。

科研需要青年一代投身接力

记者:我们为什么要研究黑洞,这对人们的生活有什么好处吗?

苟利军:科学家进行研究的动力之一就是好奇。黑洞就像是神奇的黑匣子,你不想知道里面藏着什么吗?而且借助黑洞,能让我们了解更多自然的奥秘。比如我们之前就是借由两个黑洞合并,才首次证实引力波的存在。在星辰大海的探索旅程中,人类还仅仅像个刚出生的婴儿,刚刚睁开双眼看见生活的宇宙。黑洞就如同一个宇宙给人类的一件奇妙的信物,不断勾起科学家的好奇心,引领我们在征途中继续前进。

朱进:从爱因斯坦相对论到霍金辐射,再到黑洞碰撞产生引力波,物理学家们用创造性的思想和实验方法,将黑洞的奥秘娓娓道来。科学的研究从理论提出到最后证实,需要无数科学家夜以继日辛勤付出。如果我们真的洞悉了黑洞的奥秘,很可能会改写人类对宇宙的认知。

记者:有观点认为,这次照片的公布只是我们认识黑洞的小小一步。怎样看待照片的意义?

朱进:这次能够直接给出黑洞的照片,再次验证了广义相对论,并将之前理论研究的成果确定下来,是天文领域非常重要的发现。同时对公众科普来说也是重要的机遇,科普与科研其实是相辅相成的。

苟利军:根据之前的研究,我们知道黑洞周边一些很壮观的现象,比如喷流等,还知道了黑洞的质量、转动等性质。但是,研究方法可能有误差,不同模型得到的结果往往相差几倍。有了真实图片,一些悬而未决的问题,就有了解决的可能。

当黑洞以一种真实且直观的方式展现在大众面前,显然能更好地激励青年一代投身到探索宇宙未知奥秘的事业中。我小时候很少有接触到科学的机会,现在的社会已经慢慢培养起一种科学文化的氛围。

记者:普通天文爱好者通过什么渠道能了解更多的黑洞知识,请推荐一下。

朱进:北京天文馆今年推出的数字天象节目,其中有一个馆就叫“走进黑洞”,介绍偏专业,也更深入。从下个月开始,欢迎大家来看节目。

苟利军:此前我翻译的一本书《黑洞之书》,侧重介绍黑洞研究的历史,对于初学者能尽快地了解黑洞领域研究的整体脉络,对于已经有一定基础的爱好者来说,也能从黑洞理论方面得到宏观的收获。(本报记者 姜永斌 中央纪委国家监委网站 刘芳源)

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