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首张银河系中心黑洞照片背后:科学家耗费数十年研究

发布时间:2022-06-13 08:11
零距离 首张银河系中心黑洞照片背后:科学家耗费数十年研究 袁峰在科普讲座上向公众解说宇宙“甜甜圈”。受访者供图 中国科学院上海天文台研究员袁峰算是和“甜甜圈”结下一生...

  零距离
  首张银河系中心黑洞照片背后:科学家耗费数十年研究

袁峰在科普讲座上向公众解说宇宙“甜甜圈”。受访者供图

  中国科学院上海天文台研究员袁峰算是和“甜甜圈”结下一生的缘分了——5月16日,由他参与的事件视界望远镜项目(EHT)拍摄到了首张银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”的第一张写真照片——一个巨大的宇宙“甜甜圈”。

  这张写真,来自2.7万光年之外的银河系中心。中国大陆有16位研究人员参与了这项工作,袁峰是其中之一。

  从1994年攻读天体物理学博士至今,袁峰已经在与“甜甜圈”们打交道的路上坚持了28年。5月的这张照片,其实是EHT团队第二次拍到的黑洞写真。第一次发布黑洞照片是在2019年4月。那时,EHT组织宣布得到了第一张黑洞M87的照片。该照片的中心是一个近似圆形的黑暗区域,该区域被一个发光的亮环保卫,酷似一个金色的“甜甜圈”。

  很多人不明白,既然科学家早在2019年就已经拍到了黑洞写真,为何还要在2022年再拍一次呢?科学家想要证明什么问题呢?

  袁峰告诉中青报·中青网记者,实际上,一张张“甜甜圈”黑洞写真,看似雷同,但它们都有其在不同假设环境中的重要价值。

  “我们拍到的照片,准确来说,不是黑洞本身,而是黑洞周围的吸积流。这些吸积流被一个强大的中心引力吸引,而这个引力就来自黑洞。”袁峰说,“甜甜圈”外圈那个闪闪发光的金色圆环,实际上就是吸积流,吸积流气体在黑洞引力作用下向黑洞下落,下落过程中它们变热、进而发出强烈的辐射,照片中看到的明亮光环,就是这些非常热的气体发出的辐射。

  天体物理学家纳拉扬等人的研究发现,宇宙中存在两种吸积流,一种是“正常”吸积流,另一种是“疯狂”吸积流,前者磁场较弱,后者磁场很强。除了磁场外,两种吸积流其他方面也存在很大不同,而且还决定了黑洞喷流的形成。

  袁峰告诉记者,黑洞写真拍摄的一个重要价值在于其在强引力场环境下“检验了爱因斯坦的广义相对论”。广义相对论是描述物质间引力相互作用的理论,由阿尔伯特·爱因斯坦于1915年完成,1916年正式发表。这一理论首次把引力场等效成时空的弯曲。

  他介绍,100年前也有科学家对广义相对论进行过检验,但当时都是在弱引力场环境下进行的检验,而在弱场下,广义相对论与牛顿力学两种理论的差别不大。只有在强引力场的环境下,两者才能出现较为明显的差别。

  黑洞,正是那个用来检验广义相对论的、合适的强引力场。

  “广义相对论和量子力学理论是目前物理学界最牛的理论,是现代物理学最重要的基础。”袁峰说,以人们日常使用的卫星导航系统为例,它也需要依靠广义相对论,工程人员在这一理论基础上,把“导航”变成了现实,“举个例子,用牛顿力学理论做导航的话,误差可能是1-2公里,而要精准定位,一定要依靠广义相对论。”

  如今科学家拍摄到的黑洞照片,与基于100多年前的广义相对论计算出来的“黑洞模型照片”是相符合的,说明广义相对论通过了这次检验。

  袁峰不是EHT项目中的“拍照人”,而是该项目中解释“为什么拍照”的理论研究者之一。

  “吸积流被吸进去的过程中,产生了很多有趣的现象。”他介绍,黑洞本身不会发光,要找到黑洞,最重要的就是找到其周围的吸积流气体,“根据我们的计算预测,真正的黑洞比这幅‘甜甜圈’图片中的黑色部分要小一些。”

  袁峰所说的“计算”,是求解一个复杂的黑洞吸积流方程组。这个方程的复杂程度,远超出一般人的想象。这个方程组从20世纪60年代开始就被科学家关注,每解出这个方程的一小步,都值得发表一篇高水平学术论文。20世纪90年代,袁峰在哈佛大学的博士后导师纳拉扬发现了该方程的一个创新性解,为人们理解宇宙中的黑洞迈出了重要一步,他本人因此当选美国科学院院士。

  “我当时写了一篇还算不错的论文,在一次韩国举办的国际会议上作了报告。”袁峰告诉记者,“导师后来告诉我,那次听到我的报告,就想好要给我留一个博士后位子了。”

  2002年到哈佛大学报到后,负责接待的天文系秘书在见到袁峰后说:“我早就想见到你了!有几百人申请了教授的博士后位置,我想知道他把这个位置留给了一个什么样的人。”

  出乎这位知名教授意料的是,10年后的2012年,他最青睐的博士后袁峰通过理论分析和大规模数值模拟,首次论证了吸积流中确实存在很强的外流,从而推翻了他在1999年提出的著名的吸积流“对流”理论。直到2014年,纳拉杨才在与袁峰的多次探讨中,接受了他的最新研究成果。

  2005年,有着德国马普射电天文研究所、美国哈佛大学和普渡大学博士后工作经历的袁峰,决定回国。“就是喜欢中国的文化和环境,国外的环境再好也不是为中国人设计的,在那里没有归属感和认同感。”袁峰说。

  这种归属感和认同感,就包括向中国大众科普天文知识、天体物理知识。

  “全国只有十几所大学有天文系,而美国排名前100的大学,几乎家家都有天文系。这个看似无用的学科,却是最重要的基础学科之一。我想在更多学生心目中种下仰望星辰大海的种子。”袁峰说,我国快速发展至今,是时候要加强各个学科的基础研究了,“基础研究对国家长远发展意义重大。”

  他也希望这张漂亮的“甜甜圈”照片,能成为青少年朋友们“遵循兴趣、保持好奇心”的“诱饵”,“希望我们的孩子们未来选择学习、工作方向时,都能遵循自己原本的兴趣,保持对大自然的好奇。”

  之所以选择天体物理,也是袁峰本人的兴趣所在。读硕士期间,他曾一度从理论物理专业换到量子化学专业,但3年读研时间里,他发现自己对广义相对论的兴趣与日俱增,“我觉得广义相对论很优美,很喜欢,所以我报考了中科大的天体物理专业博士,从此一直在研究天体物理。”

  中青报·中青网记者 王烨捷 来源:中国青年报