侯宏偉

近日，由中國科學(xué)院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)導(dǎo)的一個來自17 個國家和地區(qū)的國際研究團隊，首次對射電星系M87 的黑洞以及周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和噴流拍攝了“全景”照片。

黑洞到底是什么？為什么要給黑洞拍照？怎么給黑洞拍照？……帶著這些問題，我們專訪路如森研究員，從關(guān)于黑洞的預(yù)言談起，解密黑洞的本質(zhì)。

《光明少年》：黑洞是怎么被發(fā)現(xiàn)的？

路如森：黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的一種天體。

怎么尋找黑洞存在的證據(jù)？科學(xué)家通過各種辦法，比如通過觀察它們對附近的恒星和氣體的影響來探測它們。為黑洞拍照就是辦法之一。假如人們發(fā)現(xiàn)恒星圍繞著一個看不見的東西繞轉(zhuǎn)，就可以推斷，它所繞轉(zhuǎn)的中間有一個質(zhì)量很大的天體，也就是黑洞。

怎么測量黑洞質(zhì)量呢？黑洞本身不發(fā)光，但是恒星發(fā)光，通過觀測這些恒星圍繞黑洞繞轉(zhuǎn)的軌道，我們就能知道中心黑洞的質(zhì)量。這是測量黑洞質(zhì)量的辦法之一。天文學(xué)家目前認為，幾乎所有星系的中心都存在一個質(zhì)量高達數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，也包括我們的銀河系。

《光明少年》：黑洞到底是什么？

路如森：黑洞其實是時空中的一個區(qū)域，有著極強的引力。有多強呢？我們知道，光是跑得最快的，如果連光都跑不出來，其他東西就更跑不出來了。正是因為光跑不出來，無法到達人的眼睛或者被儀器探測到，所以被形象地稱為“黑洞”。

“牛頓大炮設(shè)想 ”你聽說過嗎？牛頓說，要是在地球上發(fā)射一個大炮，炮彈的速度越快，跑出去的距離就越遠，如果速度特別快，炮彈有可能就回不來了。我們在地球上發(fā)射衛(wèi)星就是這個道理，衛(wèi)星的發(fā)射速度達到一定程度后，會繞著地球旋轉(zhuǎn)，也有可能脫離地球引力。在黑洞中，光就像是“炮彈”，但是它的速度不足以逃脫黑洞的束縛。因此，我們幾乎可以認為黑洞能“吃”一切。

《光明少年》：為什么會選擇為M87星系黑洞拍照？給黑洞拍照片和普通照相有什么不同？

路如森：我們的觀測能力有限，所以需要選擇一個相對比較容易拍到的黑洞。拍攝M87 星系黑洞主要是因為它大、近、亮。M87 黑洞大約是太陽質(zhì)量的65 億倍，同時它也離我們比較近。

給黑洞拍照和用相機、手機拍照最大的不同是使用不同波段的光。相機、手機是在可見光下拍攝，而給黑洞拍照使用的是高頻“射電光”?！吧潆姽狻笔鞘裁茨?？我們知道，紅外相機利用熱敏感拍照，醫(yī)院用X射線拍片子，還用伽馬射線做手術(shù)……高頻“射電光”和紅外線、X射線、伽馬射線都屬于電磁波，只不過分別處于不同波段。

另一個不同，就是給黑洞拍照不是立等可取，而是采用干涉成像，就和在醫(yī)院拍片子一樣需要技術(shù)處理采集到的信號，然后成像一樣。這是一個漫長的過程。我們?yōu)镸87星系黑洞拍照是在2018 年4 月，但是處理信號、成像、做出理論解釋寫成論文，用了整整5 年。

《光明少年》：宇宙中到底有多少個黑洞？ 為什么要研究黑洞？

路如森：我們不知道宇宙中有多少個黑洞，就像我們無法知道海灘上有多少粒沙子一樣。

黑洞大致分三類：恒星級黑洞、超大質(zhì)量級黑洞和介于這兩種之間的中等質(zhì)量黑洞。目前普遍認為每個星系的中心都存在一個超大質(zhì)量黑洞，他們的質(zhì)量可高達太陽質(zhì)量的一百萬倍以上。我們?nèi)祟愃拥你y河系中心也有一個。恒星級黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的幾倍至幾十倍，在銀河系可能有上億個。整個宇宙，除了銀河系還有很多其他星系，所以，很難具體數(shù)清楚到底有多少個黑洞。

很多人對黑洞感興趣是出于好奇。而科學(xué)家研究黑洞，是為了探究基本的物理理論。17 世紀，牛頓提出三大定律，后來人們逐漸發(fā)現(xiàn)，有些情況下這些理論并不適用，進而開始尋找新的、適用范圍更廣的理論，于是，在20 世紀初誕生了愛因斯坦的廣義相對論?，F(xiàn)在，距離廣義相對論的提出已經(jīng)100 多年，它能用來解釋一切嗎？未必，但這需要在一些極其特殊的環(huán)境下來驗證它。黑洞就是這樣一種極其特殊的環(huán)境。這對我們探求更先進的、能夠普適于更多場景的物理理論是很重要的。

《光明少年》：這次拍到的黑洞全景照有什么特別的地方？

路如森：2019 年曾公布過人類拍到的第一張黑洞照片，它看上去就像個“甜甜圈”，那也是M87 星系黑洞。與之相比，這次拍出的黑洞照片中，“甜甜圈”更大、更厚，而且照片中有噴流。

其實，在觀測手段還不怎么先進的1918 年，人們就觀測到了M87 星系的噴流，但是一直以來，無法把它和黑洞拍在一張照片上。它特別長，距離地球約5500 光年，這次我們采用更加先進的觀測手段，讓M87 黑洞和它旁邊的噴流終于呈現(xiàn)在一張圖像中。

《光明少年》：很多青少年對探索宇宙特別感興趣，請您給小天文迷一些建議。

路如森：我建議孩子們多讀書， 勤動腦思考、多提問題，尤其要敢于質(zhì)疑。

科研機構(gòu)經(jīng)常會開展科普活動，孩子們也要抓住機會積極參加，從一線科研人員那里了解最新的科學(xué)進展、研究成果，相比教材上的知識或網(wǎng)絡(luò)上的信息，這些可都是最新鮮也是最精準的科學(xué)知識呢。