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为什么当下热衷于研究黑洞假说

4月10日,被物理学家念兹在兹的黑洞之谜可能揭开,揭开黑洞之谜的行动全球同步。

图片来源:维基百科

4月10日,被物理学家念兹在兹的黑洞之谜可能揭开,揭开黑洞之谜的行动全球同步。2019年4月10日,美国中部标准时间15:00(北京时间4月10日21时),全球6地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)以英语、西班牙语、汉语和日语4种语言同步召开全球新闻发布会,公布事件视界望远镜(EHT)拍摄的超大质量黑洞照片以及相关研究成果。

黑洞的照片是什么样,将揭示什么,也许参与研究的科学家最清楚,但未必完全清楚。但不外乎几种结果。一是证实黑洞存在,但也是一种间接证明;二是证伪,黑洞不存在;三是不清楚,还将继续探索。无论是哪种结果,都必然有其自身的重大意义。

黑洞的概念要追溯到很久以前科学家对宇宙的探索和思考。1783年,英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell)提出,宇宙中存在一个致密天体,其密度可以大到连光都无法逃逸。1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,提出某些大质量恒星会终结为一个巨大的引力场(即后来所称的黑洞),其能量之大连光都会被吸收进去。

1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)通过计算似乎证明了爱因斯坦的引力场方程,其计算结果表明,如果大量物质集中于空间一点(奇点),其周围会产生一个界面——视界,一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。

1968年美国天体物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出了黑洞(black hole)这一术语来解释此前许多物理学家所称的宇宙中存在的引力场,即致密天体,其基本概念是,黑洞会吸入所有一切,包括光。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”,就是视线所能到达的界面。

但是,黑洞只是一种假说,没有确凿的证据证明其存在。由于黑洞无法直接观测,只能凭借间接方式来证明其存在。例如,可以借由物体被黑洞吸入之前的因高热而放出的γ射线和γ射线的“边缘信息”来推测黑洞的存在,也可以由间接观测恒星或星际云气团绕行黑洞的轨迹来获取黑洞的位置和质量的信息。

因为,如果黑洞存在,会把周围恒星的气体吸引到自己身边,产生一个围绕黑洞旋转的气体盘,即吸积盘。同时,当吸积气体过多时,一部分气体在掉入黑洞视界面之前,会在磁场的作用下沿转动方向被抛射出去,形成喷流。通过吸积盘和喷流可以知道黑洞的存在以及它的位置。

但是,这也是间接的证据。更为有力的证据是为黑洞照相,以图片来显示黑洞的存在。要想观测遥远的黑洞,目前人类研制的任何单一天文望远镜都无法办到。因此,在过去10多年时间里,美国麻省理工学院的科学家们联合了全球多地的8台天文望远镜同时对黑洞展开观测,这8台望远镜就形成了一个有效口径等于地球直径的虚拟大望远镜,即事件视界望远镜。

8台望远镜分别是:南极望远镜、智利的阿塔卡马大型毫米波阵、智利的阿塔卡马探路者实验望远镜、墨西哥的大型毫米波望远镜、美国亚利桑那州的亚毫米波望远镜、夏威夷的麦克斯韦望远镜、夏威夷的亚毫米波望远镜、西班牙的毫米波望远镜。它们在2017年4月对两个黑洞目标进行了联合观测。

从2018年起,又有格陵兰岛望远镜、位于法国的IRAM NOEMA天文台和位于美国的基特峰国立天文台加入后续的研究和校准工作。事实上,给黑洞拍照并非直接拍出黑洞的图像,而是给出了许多数据,然后经过复杂的计算机处理过程,以拼出图像。同时,有些缺失或模糊的部分,需要拼图。因此,黑洞照片的拍摄和冲洗都费时费力,历时两年多才得出结果。

过去,物理学家基普·索恩为科幻影片《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”设计了一个图像,是深不见底的黑色中心与明亮立体的气体圆环。现在,这个根据8台望远镜的拍摄数据而衍生出来的黑洞图片是否与物理学家想象中的图像吻合,不得而知。

随之而来的问题是,黑洞探索究竟是科幻还是具有真实和现实的科学研究意义。其实,无论证明黑洞的存在与否,探索本身都具有意义。这类探索不只是可以归结为人类难以抑制的仰望星空的情结,而且也与脚踏实地互为表里。

探索黑洞的存在与否,可以间接推论宇宙是何时产生,以及如何产生的,由此也能了解宇宙之后地球是如何产生的,有了地球,才有了生物和人类。而且,同样具有现实意义的是,了解黑洞也可以知道,宇宙是否因为大爆炸而产生,星系演化是否受到星系中的壮观喷流的影响,以及可能最现实的是,黑洞的存在是否会影响到地球上的人类和生物的生存,以及地球的生态和生物多样性。如果有影响,科学会采用什么样的方式来预防、避免或者减少这样的影响。

当然,探索黑洞还有更多的衍生意义。既然有黑洞,宇宙中可能也存在白洞,证明了有白洞的存在,也就间接证明了有黑洞的存在。白洞与黑洞正好相反,是一个只发射能量、不吸收能量的特殊宇宙天体,白洞的力是排斥力,与黑洞的吸引力相反。当白洞内超密态物质向外喷射时,会与它周围的物质发生猛烈的碰撞,释放出巨大能量。由此推断,有些X射线、宇宙线、射电爆发、射电双源等现象,可能会与白洞的这种效应有关。

另一方面,2015年发现的引力波也是黑洞探索的衍生意义,或者二者相互印证。这也意味着人类探索星空也可以通过搭积木的方式来完成拼图。

题图来源:维基百科

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