來(lái)一場(chǎng)“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(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)舉辦了一場(chǎng)由天體物理學(xué)家、“慧眼”天文衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南教授的演講活動(dòng)，這場(chǎng)演講也是《亦莊學(xué)院》創(chuàng)院的第一課，以“黑洞與中國(guó)慧眼天文衛(wèi)星”為演講主題，張雙南教授帶領(lǐng)觀眾展開(kāi)了一場(chǎng)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(guó)智造的“慧眼”天文衛(wèi)星的魅力。

講座現(xiàn)場(chǎng)

張雙南教授的演講是《亦莊學(xué)院》創(chuàng)院的第一課，張雙南教授是著名天體物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國(guó)家天文臺(tái)空間科學(xué)部首席科學(xué)家以及“慧眼”天文衛(wèi)星首席科學(xué)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(xué)奇景，近年來(lái)因其研究成果屢獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(lái)幾十年上百年的時(shí)間里面，人類(lèi)是能夠走出太陽(yáng)系的”

張雙南首先播放了《星際穿越》中男主角穿越黑洞的畫(huà)面，并介紹了關(guān)于黑洞的定義：黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)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(wú)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(wú)法直接觀測(cè)到。1967年美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒正式開(kāi)始使用“黑洞”一詞。黑洞是一個(gè)密度足夠大的天體，其周?chē)臅r(shí)空結(jié)構(gòu)使得其發(fā)出的光也無(wú)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(shí)存在，且在宇宙中為數(shù)眾多，可以用多種方式探測(cè)到。每個(gè)星系都存在幾百萬(wàn)個(gè)小黑洞，每個(gè)星系中心都存在一個(gè)超大黑洞。關(guān)于黑洞的觀測(cè)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(lái)的，所以不指望能直接觀測(cè)到它。那么，科學(xué)家們只能通過(guò)它的行為或者與背景的比照來(lái)判斷哪個(gè)地方有黑洞。首先，一個(gè)黑洞可能和另外一個(gè)星星組成一個(gè)雙星系統(tǒng)。這樣，通過(guò)觀測(cè)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(gè)判斷依據(jù)就是黑洞的引力透鏡效應(yīng)，這就有些像通過(guò)鏡頭的光的路徑了。一個(gè)黑洞對(duì)于遠(yuǎn)道而來(lái)經(jīng)過(guò)它的光可能會(huì)有透鏡效應(yīng)。如果觀測(cè)到這個(gè)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(cè)，因?yàn)楹诙床荒苤苯涌吹?你不可以把黑的區(qū)域都?xì)w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?！?/p>

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

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年4月10日，美國(guó)華盛頓，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目主任、美國(guó)哈佛-史密森天體物理學(xué)中心資深天文學(xué)家謝潑德杜勒曼展示人類(lèi)史上首張黑洞照片。人民視覺(jué) 資料圖

黑洞真的完全無(wú)法抵達(dá)嗎？在回答記者提問(wèn)時(shí)，張雙南也表示：“關(guān)于我們?nèi)祟?lèi)能不能去黑洞的問(wèn)題，現(xiàn)在還不能，現(xiàn)在我們?nèi)祟?lèi)自己還沒(méi)有走出太陽(yáng)系，所以人類(lèi)真正的星際旅行還沒(méi)有開(kāi)始，但是按照我們?nèi)祟?lèi)目前發(fā)展的步伐，我們?nèi)祟?lèi)進(jìn)入航天時(shí)代只有半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，在短短的時(shí)間，我們就從離開(kāi)地球到了已經(jīng)人類(lèi)的活動(dòng)，人類(lèi)的活動(dòng)遍布了太陽(yáng)系的幾乎每個(gè)角落?！?/p>

“所以在未來(lái)，我們相信在幾十年上百年的時(shí)間里面，人類(lèi)是能夠走出太陽(yáng)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(jìn)入一些黑洞之前老遠(yuǎn)就會(huì)被黑洞的中心引力吸引，被拉成細(xì)長(zhǎng)的面條，最后被撕碎。有的黑洞是可以去的，比如說(shuō)《星際穿越》里面選擇的相對(duì)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(lái)?！睆堧p南說(shuō)。

中國(guó)慧眼天文衛(wèi)星：活捉黑洞、快遞伽瑪暴、號(hào)脈中子星

2017年6月15日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”，這是我國(guó)首顆大型X射線天文衛(wèi)星。它揭示的是宇宙中最驚心動(dòng)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(hào)脈中子星”。

慧眼衛(wèi)星發(fā)射 來(lái)源：新華網(wǎng)

這顆衛(wèi)星全稱(chēng)為硬Ｘ射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡，由長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)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(xì)研究黑洞和脈沖星，并監(jiān)測(cè)伽馬射線暴，探索利用脈沖星為航天器導(dǎo)航。它被命名為“慧眼”，寓意中國(guó)在太空“獨(dú)具慧眼”，能穿過(guò)星際物質(zhì)的遮擋“看”宇宙中的X射線，也為紀(jì)念推動(dòng)中國(guó)高能天體物理發(fā)展的已故科學(xué)家何澤慧。

由于“慧眼”有較大的視場(chǎng)，對(duì)銀河系巡天是它最重要的使命?！拔覀冾A(yù)期會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的黑洞和中子星?！睆堧p南說(shuō)，盡管其他國(guó)家已發(fā)射的同類(lèi)衛(wèi)星開(kāi)展過(guò)巡天觀測(cè)，但絕大多數(shù)Ｘ射線源都是變?cè)?，?huì)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(kāi)展巡天掃描，及時(shí)探測(cè)銀河系內(nèi)天體源的耀發(fā)。

演講現(xiàn)場(chǎng)

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(qiáng)烈的噴流。它們究竟在干什么？黑洞有時(shí)很“冷靜”，有時(shí)很“暴躁”。當(dāng)它“發(fā)脾氣”時(shí)，產(chǎn)生的Ｘ射線流強(qiáng)特別高。國(guó)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(duì)于我們?nèi)祟?lèi)未來(lái)的影響是什么？張雙南說(shuō)：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)于宇宙的現(xiàn)象，讓大家的認(rèn)識(shí)更加豐富，大家的談資多一點(diǎn)；從性質(zhì)來(lái)講，我們?cè)诨垩坌l(wèi)星當(dāng)中還有一些新的技術(shù)，這些技術(shù)在工業(yè)當(dāng)中有一些使用，只是我們感覺(jué)不到而已。最長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，它可能會(huì)把我們整個(gè)人類(lèi)帶向宇宙，希望我們未來(lái)可以做到。”

雙中子星合并的藝術(shù)效果圖  人民視覺(jué)資料圖

相關(guān)介紹：關(guān)于《亦莊學(xué)院》

《亦莊學(xué)院》是由北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)宣傳文化部主辦，尚亦城（北京）科技文化集團(tuán)有限公司和北京實(shí)力電傳文化發(fā)展股份有限公司承辦的中國(guó)首個(gè)科技前沿新知系列講座活動(dòng)，該系列活動(dòng)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(kāi)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(dòng)。

北京經(jīng)開(kāi)區(qū)有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹稱(chēng)，活動(dòng)的命名是對(duì)古希臘哲學(xué)家柏拉圖建立的“希臘學(xué)院”的致敬。創(chuàng)新文化對(duì)于經(jīng)開(kāi)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(yíng)造創(chuàng)新文化氛圍，活動(dòng)每年都將在全球范圍內(nèi)精選并邀請(qǐng)?zhí)幱诋?dāng)今世界科技前沿的頂級(jí)科學(xué)家擔(dān)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(lái)的樂(lè)趣的同時(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)。負(fù)責(zé)人同時(shí)表示，這是系列講座，以后還會(huì)有很多高質(zhì)量不同前沿科技領(lǐng)域的講座，《亦莊學(xué)院》將為北京打造創(chuàng)新文化做出“亦莊貢獻(xiàn)”。