史上最强黑洞导游团!跟着爱因斯坦、霍金、基普·索恩、苟利军穿越生死黑洞

潇湘晨报 2019-04-13 08:35:02

  短短几天,5500万光年之外的M87成为地球人心中的超级巨星。

  短短几天,5500万光年之外的M87成为地球人心中的超级巨星。

  她的“海报”照已经铺天盖地,尽管只是一张像素很低的“侧颜照”。

  首张黑洞照片。

  她几乎满足了科学家心中对于她的所有想象:橘红光亮圆形“裙摆”,是气体被拉扯吸引,在她身边旋转摩擦产生的光和热;光圈环绕的黑色边界,是光速能否逃逸的临界点,退一步逃出生天,进一步坠入无底深渊。没错,她就是被预言百年、密度极大、体积极小、连光都无法逃逸的黑洞。

  爱因斯坦。

  因为她的“被看见”,爱因斯坦再一次被顶礼膜拜。你可以理解为,一位百年前坐在书房里,左手抱着小儿子,同时回答大儿子问题,右手写着数学推算公式的瑞士专利局职员,直接预测了百年后5500万光年之外,一个65亿太阳质量的超级黑洞,而他所确定的广义相对论成为此后百年直到今天天体物理学的思考框架。

  撰文/潇湘晨报记者赵颖慧

  霍金。

  基普·索恩。

  模糊的M87,已经让世界兴奋,如果我们可以“走近”甚至“穿越”一个黑洞呢?诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩在电影《星际穿越》和书籍《黑洞与时间弯曲》里,就曾经用最瑰丽的科学想象穿越黑洞,而霍金在《黑洞不是黑的》中,更尝试“描绘”和“看见”黑洞里的一切。

  (经过几十亿年,恒星耗尽它的核燃料,失去与自身引力对抗的热压力,这时恒星就会收缩。 图/《黑洞不是黑的》湖南科技出版社)

  今天,我们也将坐上一艘接近光速飞行的飞船,去这个世界最危险最神秘的地方瞧一瞧。在此次旅行中,我们邀请了一支史上最强宇宙导游团,他们是爱因斯坦、霍金、基普·索恩和中国科学院国家天文台研究员、恒星级黑洞研究小组首席科学家、中国科学院大学天文学教授苟利军。如果有必要,或许应该在此备注:科幻操作,请勿模仿。

  (海洋离月亮近的一端引力越强,远的一端引力越弱,于是引发了潮汐。靠近黑洞时,人也会感受到类似的潮汐力。 图/《黑洞与时间弯曲》 湖南科技出版社)

   上船需知 为了保命,不要试图跨越“视界面”

  登上飞船之前,我们有必要了解此次旅行的风险,黑洞究竟是如何吞噬它身边经过的一切?

  如果你学过引力的基本定律,你就能很好地理解黑洞,就像丢向空中的石头总是会落回地面一样,大质量恒星死亡后,也会坍塌收缩,收缩到极致,于是形成了黑洞。

  你可以把它想象成高压锅,熊熊燃烧的恒星产生巨大的热压力,足以对抗自身的引力。然而,一旦大质量的恒星燃烧殆尽,恒星对抗自身引力的热压力减弱甚至消失,于是恒星就会收缩。

  可是,小恒星的引力还不足以收缩成一个黑洞,可能会变成一颗“白矮星”,但大质量恒星的命运就截然不同,它可能被压缩成无限密度的一点,这就是“奇点”。

  究竟有多小?对比一下地球,“当然地球不可能变成黑洞,因为它不是恒星,但如果它变成黑洞,大约只有1分钱硬币大小,也就是直径1.8厘米,你可以握在手里,当然前提是你力气足够大。”苟利军说。

  “奇点”是一个不知疲倦的贪婪巨兽,任何从它身边经过的物质、气体都会被吞噬,连光也不会放过。所以,当你用望远镜看一个黑洞的时候,你会发现它有绝对分明的边缘,即黑洞的表面。当你在边缘以内,表面以下时,是“光”都逃不掉的地方,所以无法反射到你眼睛里,你什么也看不见,那里一片漆黑。当在表面之上时,如果有足够的力量和速度,你还有逃命的可能。这就是大家所说的“视界面”。

  所以,登船之前的第一条告诫:不要试图穿越视界面!

  (飞船在黑洞视界上方,光通过那些轨道从遥远星系来到视界。黑洞引力使光线向下偏转(“引力透镜效应”),飞船上的人看见所有的光都汇聚成头上的一个圆形亮点。 图/《黑洞与时间弯曲》 湖南科技出版社)

   登船准备 练好身体柔韧性,准备迎接“潮汐力”的“洗礼”

  了解了基本常识,在登上飞船之前,请确认身体健康,而其中很重要的一项是“柔韧性”。

  如果你可以像意大利面条一样,可以拉得很长很长,那么你将是“黑洞”旅行团里,能最接近“黑洞之心”的人。

  不要笑,这是真的。你还记得潮汐么?每天清晨和傍晚,大海潮涨潮落。学过初中地理知识的人肯定知道,这是海洋受到月亮引力的结果。离月亮近的一端,引力最强,另一端引力最弱。

  靠近黑洞的时候,你也会受到黑洞引力的影响。你飘在太空舱里,脚朝黑洞,头朝星空,你会感到有一股微弱的力量在把你的脚向下拉,而把你的头向上拉,就像在拉面,因为脚更靠近黑洞,所以脚的拉力更强,这跟海洋所经受的力量是一样的,所以叫作潮汐力。其实,我们在地球上也有同样的力,只不过地球上头脚引力差很小,所以根本察觉不出来。

  潮汐力大的黑洞,在你靠近的那一瞬间,就可以把你轻松撕裂,所以我们得找一个潮汐力小一点的黑洞,这就得向爱因斯坦请教了。

  广义相对论预言,黑洞质量越大,视界上和视界外的潮汐引力越弱,因为“质量增加时,视界周长也正比例增加,视界附近的潮汐力实际上减小了”。基普·索恩说。

  他还说,一个100万太阳质量的黑洞,潮汐力就弱多了,一点痛苦都不会有。《星际穿越》里的“卡冈都亚”黑洞有大约2亿太阳质量,男主角穿过视界面时,身体几乎没有太大的感觉。而此次我们拍下的M87更是重达65亿太阳质量,“它的潮汐力说不定比地球还小,当我们接近时,应该不会把我们拉碎,就像一个表面温和的庞然大物。”苟利军说,“但我们还是需要一个好的飞船。

  飞行要求 一定要快,要快,快到光速

  需要一个多快的飞船?

  “至少接近光速”,苟利军说。

  还记得M87的“侧颜照”么?黑色中心周围的那一圈橘色光亮环,可以说那是宇宙气体和尘埃在坠入黑洞前的最后“挣扎”。

  “宇宙气体和尘埃在掉入黑洞的过程中,不是像运动员跳水一样一头扎进去的,而是以螺旋式的方式环绕,逐渐靠近黑洞。你可以将它想象成厨房里的水槽,当你积满一水槽的水,然后拔掉塞子,水会渐渐变成漩涡,以螺旋下降的方式进入。而且越靠近黑洞速度越快,远离黑洞的地方速度比较慢,当转速产生差别,于是气体发生摩擦,就会发光发热,就变成了我们今天看到的黑色中心外那一圈橘红色光晕。”苟利军说,“它的学名叫作‘吸积盘’。”

  我们靠近的方式也是螺旋下降,通过画圈,以离心力对抗黑洞引力。我们一圈圈缩小轨道半径,慢慢向黑洞靠近,但必须得小心翼翼,因为越靠近黑洞,引力越强。“所以,我们需要足够的飞船动力,一旦发现难以对抗引力时,有足够的逃逸速度,而在视界面从黑洞周围逃脱的话,逃逸速度必须接近光速。”苟利军说。

  飞船一点点靠近,“最引人注目的变化是,飞船下面的黑洞圆盘长大了,慢慢地越来越大。你想,它会像巨大的黑色地板铺满你的脚下,然后停下来,头上还是像地球上明朗的天空。但黑盘子仍然在长大,从飞船周围升起,遮盖了一切,只留下头上一道明亮的圆形光路,你能从它看到外面的宇宙。你仿佛走进了一个洞穴,越陷越深,只看见光亮的洞口在远处越来越小。”基普·索恩说。

  天啊,我们是不是已经陷入了黑洞?据说,跨越死亡视界面的过程,人是察觉不到的?

  “别担心,我们没有危险,还在视界外面。黑暗笼罩整个天空,不过是黑洞引力的强烈透镜作用。”

  

   掉入黑洞 毁灭or重生,这是一个问题

  可是,万一,我们真的穿越了视界面,掉进了黑洞呢?

  (越过黑洞视界面,就像乘独木舟到达瀑布边缘,再怎么划桨都无济于事。 图/《黑洞不是黑的》湖南科技出版社)

  

  “这就有点像乘独木舟顺瀑布而下,在瀑布上游的时候,如果桨划得足够快,还可以逃脱掉下去的命运,然而一旦到达瀑布边缘,再怎么划桨都无济于事。”霍金说。

  因为光不能从黑洞逃逸出来,所以从远处观察你的任何人都不能看到你越过视界的过程,没有人能够听见你的尖叫,也没人能看到你的失踪。

  当你进入越过视界,进入黑洞,最坏的情况是,“在奔向奇点的时候,就已经被撕裂了”。人类连同其他宇宙天体的所有信息,都消失在黑暗最深处,从这个世界彻底消失。黑洞永远只剩下质量、角动量和电荷三个参数,如此简单而纯粹。

  但霍金给了我们另一种可能性,“物体有可能落入某个黑洞,从另一个宇宙出来。但是这个黑洞必须很大,并且如果它在旋转的话,那么它也许具有一个通往另一个宇宙的通道。但是你一旦进去了,就再也不能回到现在所处的宇宙当中了。”

  BBC科学编辑大卫·舒克曼解释说:“因为,如果一个黑洞在旋转,那么它的核心有可能不是由一个无限密度的奇点构成,而是可能存在一个环形的奇性,而正是这导致了不仅落入黑洞而且穿越它的可能性的猜想。”

  所以,别担心,万一落入了黑洞,就听霍金的:“永远不要放弃,总有方法能逃出来!”

  人物

  苟利军。

  中国恒星级黑洞研究小组首席科学家苟利军:

  “碰到黑的东西,要躲着走,特别是黑洞”

  4月10日,首张黑洞照片公布,苟利军被媒体邀请去做直播。

  走之前,同事指着他的蓝色夹克说,“换一件吧,穿了好多天了。”

  当直播开始时,屏幕里闪现的依然是那件明晃晃的蓝色夹克。

  他用行动告诉我们,科技极客的征途是“星辰大海”,而不是一件蓝色夹克。

  科研高要求,生活“无所谓”是苟利军。他对太空X射线望远镜、伽马射线望远镜的关注,远远多于对当季潮流新品的关注。

  见到M87的照片后,更像是一场多年猜测后的确认,他说:“这与一些科学家模拟出的黑洞照片还蛮像。”《黑洞与时间弯曲》译者李泳的评价是,“如果图像出现了相对论没有预言的东西,那才真的有趣。”

   三个参数给黑洞“画像”,宇宙就喜欢简单优美

  黑洞,肉眼不可见,但苟利军的工作是“给黑洞画像”。

  在号称天文台“最乱”办公桌上,两台硕大的电脑是苟利军“征战沙场”的利器。他用它们分析从太空望远镜收集的数据,“质量、角动量和电荷,这三个参数是给黑洞画像的第一步。”当黑洞“吞噬”一切后,确定它只需要这三个参数,就像爱因斯坦信仰的那样,宇宙喜欢简单和优美。

  “从太空望远镜得到的数据都是二进制,有时候数据特别大,必须使用大型计算机。通过数据建模、定性分析和比较,得到一个最好的物理模型,还原真正的物理含义,进一步推断深层次的信息。”

  每天上午十点左右,天文台会有一个“breaktime”(休息时间),“大家会在露台,非常开心地一起讨论今天最新的科研文章和科研动态”。

  据他介绍,自上个世纪六十年代世界发现第一个黑洞双星系统以来,到如今仅仅确定了20多个黑洞双星系统。“但科学家们可以根据一个星系的恒星数量和衍化情况,来推测星系中可能存在的黑洞。基本上每个星系的中心,都存在一个超大质量黑洞,可以达到几百万甚至几十亿个太阳质量。每个星系中除过包含有千亿个恒星之外,一个星系里还有数以千万计甚至亿计的黑洞。”

   “碰到黑的东西,要躲着走,特别是黑洞”

  “我们并不真的像《生活大爆炸》里演的那样,像个nerd。”

  他笑着说,“我们还算正常。”

  几乎每隔一两天,他都会运动,“踢球、打篮球、跑步、羽毛球、乒乓球”。

  别人问他,“这么忙,怎么会有时间跑步?”他说:“实际上,每次跑两三公里,二十分钟,稍微放松一下,这个时间还是能挤出来的,而且给你的身体感觉也是很好的。”跑步的时候会不会想通一些科学难题?他回答得很朴素,“那倒没有,但可以清醒脑子。”

  除了科研工作,他还喜欢做科普。最早对宇宙萌生兴趣,就是因为中学时遇到的一本名为《飞碟探索》的杂志。高考时,他下定决心报考南京大学天文系。第一年没考中,他第二年接着考,终于如愿以偿。

  在《星际穿越》风靡全球的那一年,他主动请缨,辗转找到原著作者基普·索恩,希望能够翻译这部小说。他和同事一起只用了一个多月的时间,就把这本书翻译了出来,并在此后获得2015年全国优秀科普作品奖第三名,并且获得了次年的国家图书馆的文津奖。

  当他抬头仰望星空的同时,也会伸手触摸着生活。他曾在回答网友关于黑洞的问题时,幽默地说:“碰到黑的东西,要躲着走,特别是黑洞,生活中的黑洞也是如此。”

   “天文不能帮助大家发财”,但能看见世界

  如今,他是中国科学院国家天文台研究员,恒星级黑洞研究小组首席科学家,中国科学院大学天文学教授。殊不知,多年前的求学路上,他差点“转了行”。

  当他在美国宾夕法尼亚州立大学天体物理学博士毕业后,找工作很不顺,一直没找到合适的研究岗位,“生存还是第一位,当时也想找其他的工作”。于是他便开始学习统计学等知识,准备去华尔街的投行工作。

  “正好遇上哈佛大学哈佛史密森天体物理中心做博士后的机会,后来,又有国家‘青年千人计划’,有幸回国来到国家天文台。”

  “天文学是个冷门专业,有很多人后来转了行。”苟利军说,“所以取决于自己如何去看待目前的工作,天文不能帮助大家发财,因为应用没有那么广。但如果真的发自于内心喜欢,就不会觉得特别乏味,如果能够做好的话,也是一件相当不错的事情。”

  在他的微信头像下,写着一句话,“You can see a lot by just looking”。

   对话

   李泳:如果图像出现了没有预言的东西,那才真的有趣

  (嘉宾李泳:《黑洞与时间弯曲》译者)

  潇湘晨报:新发布的黑洞照片符合预期想象么?您从中看到了什么?

  李泳:说“图像”可能更恰当,因为它毕竟不是平常意义的照片,而是根据EHT(事件视界望远镜)观测网络——8台射电望远镜组成一个地球那么大的“望远镜”——几年来获取的数据可视化出来的东西,有点儿像前年的引力波观测“还原”的黑洞撞击图像。

  图像符合广义相对论的预言,所以“符合预期想象”。实际上,EHT早就预设了两个目标:今天这个M87(梅西耶星表里的第87号,是室女座的一个椭圆星系)和我们银河系中心的人马座A*(注意带星号!原来以为第一张照片是它的)。从理论说,它没有什么新奇的东西;但毕竟它把从来都是半遮面的“真人”推到大家面前了,“人生若只如初见”,它激起的兴趣大概在这儿。

  不过,图像的形成涉及很多技术的进步,除了观测技术,还有相对论的数值模拟和观测信号的处理技术。

  相对论的预言不仅仅说黑洞的存在,更重要的是它预言了黑洞形成和演化。这个图像让我们真切看到了黑洞是如何吸积物质的——那个光亮带就是物质(气体和尘埃)在强引力作用下的辐射,朝向我们运动的比背离我们的部分更加光亮,这是普通的多普勒效应。

  如果图像出现了相对论没有预言的东西,那才真的有趣。

  潇湘晨报:看“黑洞照片”,读者应该关注的是什么?

  李泳:我的观点是,读者不要过分纠结或好奇那些具体的描绘,而应该了解黑洞作为一个奇异的时空区域的本质。物理学家对它感兴趣,是因为它是所有基本理论的试验场,关联着我们对宇宙起源和物理学“终极理论”的追求。

  撰文/潇湘晨报记者赵颖慧

 

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