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【澳门新葡8455手机版】知情者人类第一张黑洞照

日期:2019-12-17编辑作者:澳门新葡8455手机版

2014年5月,在北京国际机场,我第一次见到了拉希德·苏尼阿耶夫(Rashid Sunyaev)教授。他是一位身材胖胖的和善老人,热情开朗,十分健谈。在从机场前往宾馆的途中,拉希德几乎就没有停止过讲话,从路边的建筑到北京的房价,他似乎对一切都充满了好奇。彼时,这位俄罗斯天体物理学家受中国科学院“爱因斯坦讲席教授”计划的邀请来中国进行讲学。而我有幸担任了拉希德教授来访期间的助理,陪他进行了一段奇妙的旅程。

北京时间4月10日,事件视界望远镜国际合作项目宣布:首张黑洞照片面世!并在全球六地(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、汉语和日语四种语言,召开全球新闻发布会。

拉希德有一串长长的荣誉头衔:马普天体物理研究所所长兼学术委员、俄罗斯科学院空间研究所首席科学家、普林斯顿高等研究院“莫琳和约翰·亨德里克斯”客座教授……就在几个月前,他还获得了具有“诺奖风向标”之称的引文桂冠奖,理由是“在帮助人类认识宇宙起源、星系形成过程、黑洞吸积盘以及其它宇宙现象方面做出了巨大的贡献”。

《天体物理学杂志通信》于4月10日以特刊的形式通过六篇论文发表了这一重大结果。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。

对于天体物理学界来说,更为熟悉的是冠以其名的两项重要成果:苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel'dovich effect,简称SZ效应)和沙库拉-苏尼阿耶夫盘(Shakura-Sunyaev disc)。

这是一场堪称史无前例黑洞“摄猎”!这是事件视界望远镜国际合作项目于2017年观测,历时近2年时间分析产生的重大科学成果,共有两百多名科学家、工程师和技术人员参与其中,调动了散布于全球的9个天文台的力量。

我的老师 胸前佩戴着三枚奖章

20世纪60年代初,贝尔实验室的两位无线电工程师在摆弄他们的喇叭形天线时,偶然间看到一种无论如何也去不掉的“噪声”——宇宙微波背景辐射(CMB)。这一自宇宙早期遗留下来的辐射为流行一时的“稳恒态理论”(该理论认为宇宙中不断有新物质产生,从而使得物质密度即便在时空增长时也保持恒定)画上了句号,从此,“大爆炸”的概念开始深入人心。1978年,这两位工程师,阿尔诺•彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特•威尔逊(Robert Wilson)凭借对CMB的探测摘得诺贝尔物理学奖。

 同一时期的苏联,一位名叫雅科夫•泽尔多维奇(Yakov Zel'dovich)的物理学家也在研究CMB。他和他的学生,拉希德·苏尼阿耶夫(Rashid Sunyaev)认为,来自CMB的部分光子在途径星系团时,会与其中的成分相互作用,于是当人们进行测量的方向上有星系团时,CMB的低能光子减少而高能光子则会增加,这种现象被称为苏尼阿耶夫-泽尔多维奇效应(即SZ效应)。

 SZ效应为人类探索早期宇宙提供了一枚重要的探针,能够帮助我们深入了解大尺度结构的性质、进行宇宙学参数的估计以及研究暗物质和暗能量等问题。然而在很长一段时间内,这项工作并未得到广泛认可,直到观测上的证据出现,方才扭转了这一状况。

回顾这段历史时,苏尼阿耶夫总是会提到他在导师口述论文第一页的内容后当晚就写完了整篇论文的事,这强悍的战斗力离不开导师的催促。苏尼阿耶夫还经常说起第一次面见泽尔多维奇的经历,“我感到战战兢兢”,他边说边站直身体并把头压向胸口(像犯错的孩子一样)去模仿当时的情形,“他是一个非常厉害的人,胸前戴着三枚劳动奖章”。

澳门新葡8455手机版 1雅科夫•泽尔多维奇,胸前佩戴着三枚“社会主义劳动英雄”奖章,获此殊荣的人在苏联历史上还不到20个。图片来源:Wikepedia

澳门新葡8455手机版 ,我们是多么幸运,成为了见证首张黑洞照片诞生的第一批人类!

“卡冈图雅”之光

苏尼阿耶夫的另一项重要研究成果,沙库拉-苏尼阿耶夫盘也被称为“标准吸积盘”,来源于于1973年苏尼阿耶夫和尼古拉·沙库拉(Nikolai Shakura)合作发表的文章,是目前应用最为广泛的吸积盘模型

其实吸积盘并不像它的名字听起来那样陌生,还记得《星际穿越》里著名的黑洞“卡冈图雅”吗?在它的周围环绕着的那个明亮的盘状结构就是吸积盘。

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上世纪60年代,随着类星体的发现,人们意识到热核反应无法解释这类新天体的高光度,它们的能量来源只能解释为物质被致密天体(如黑洞)通过引力俘获的过程中释放的引力能——在极端条件下,这种被称为吸积(accretion)的过程释放能量的效率,甚至远高于物质经核聚变反应的释能效率。

那么如何实现吸积这种过程呢?

当物质沿着开普勒圆轨道围绕黑洞运转时,如果没有引力以外的其它作用力,这些物质会绕着黑洞这么一直转下去而不会下落。但由于物质在做开普勒运动时在不同半径处的转速不同,同时物质间存在粘滞作用,于是距黑洞更近的物质被远处的物质拖拽,将角动量转移出去,使得黑洞引力大于离心力,物质会向黑洞内落去,并释放出其携带的引力能,其中部分引力能最终转变为辐射。

这一过程中,角动量转移是吸积得以进行的关键,而粘滞又是角动量转移的关键,粘滞的可能来源并不唯一。由于当时对粘滞机制了解得还不是很清楚,沙库拉和苏尼阿耶夫回避了具体的粘滞过程,大胆的引入一个α参数来描述粘滞,这就是著名的α粘滞率。至此,他们很快就构建出标准吸积盘模型,并用它成功解释了很多观测现象。

什么是黑洞?

不一样的拉希德教授

作为一名天体物理专业的科研工作者,对于拉希德·苏尼阿耶夫和他的研究自然是耳熟能详。而三年前的那次近距离接触,让我了解了这位老人教科书之外的另一面。

好奇心旺盛的博物馆控

我发现,老爷子特别喜欢逛博物馆。

访问北京的那几天里,在各种讨论和报告间歇,拉希德的参观重点就是国家博物馆。他说这是他从小就养成的爱好,延续多年,迄今为止已经去过不少世界著名博物馆。不过他的国博之行对我来说可算是一种“折磨”——我的英语在博物馆场景下完全不够用了。好在现场的志愿者们帮忙,才勉强扛住了他的提问。

 就在离开北京的那天上午,他请求我再带他去国博看一看。这一次我们又逛了大半天,还因此错过了午餐,不过按照他的说法是“精神食粮远比吃饭更重要”。我想,这些特质或许就是他在学术上取得巨大成就的原因所在。

偶遇美国高中生

在离开北京之后,我们的下一个目的地是古城西安,去参加一场关于星系宇宙学的国际会议。值得一提的是,在前往咸阳机场的航班上碰到了一群来华游学的美国高中生;几天后,我们就会在西安街头与之重逢,并发生了一次有趣的对话。也让我见识到拉希德颇为“nerd”的一面。

这天饭后,我们正在某处繁华地段闲逛,一个胖乎乎的小姑娘跑过来热情地和我们打招呼,而我们也认出她是那支美国游学团队中的一员。在得知她们来自巴尔的摩后,拉希德话锋一转,开始兴致勃勃地谈起位于这座城市的约翰·霍普金斯大学,并极力推荐她们参观那里的哈勃望远镜控制室。这些话题显然不是很受女孩子们的欢迎,她们赶紧找了个借口逃之夭夭。

虎跳峡的湍流

我陪同拉希德的最后一站是访问云南丽江的天文台高美古观测站。其间,我们还抽时间去看了虎跳峡。不得不说,在这海拔颇高的地区,我们几个年轻人的劲头还不如一位七十多岁的老人。

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苏尼阿耶夫在虎跳峡,图片来源:作者

站在峡谷边的围栏前,上临险峻挺拔的雪山,下观波涛汹涌的大江,听着如虎啸般的水石相击之声,拉希德显得非常激动。他透过震耳欲聋的轰鸣向我大喊,“看!多么神奇啊,是湍流!”湍流的概念不仅仅局限于我们身边的江河湖海之间,它在天体物理领域也有着广泛的应用,而沙库拉-苏尼阿耶夫盘中的粘滞很可能就是湍流造成的。随后,他请我帮忙把这一场景录下来,打算作为素材给学生们演示“湍流”。(编辑:婉珺)

引力波和黑洞都是爱因斯坦广义相对论的理论预言,早在1915年,爱因斯坦发表了划时代的理论:广义相对论,并于次年用这个理论预言了引力波。此后,他花了近二十年的研究才相信引力波是真实的,而人类更是在近百年之后才首次探测到引力波。而引力波与黑洞的相关理论工作都是在同一年发表的。在那一年,德国物理学家卡尔·史瓦西解出了广义相对论的第一个精确解:史瓦西解,也就是我们现在所知道的静态、球对称的史瓦西黑洞。

在这之后的几十年中,黑洞的研究进展缓慢,没有人知道在广袤宇宙中是否真实存在着史瓦西解对应的天体,大多数学者都只是对这个解的理论或数学结构感兴趣。1939年,奥本海默和斯奈德发现球对称的大质量恒星在其核能耗尽后会在引力作用下直接塌缩向中心。1958年,芬克尔斯坦作出了突破性贡献,发现在史瓦西半径(黑洞的一个特征半径,也叫引力半径或事件视界)之内,任何粒子和光都无法逃离黑洞。因此,从大约1963年开始,史瓦西解对应的天体开始被称为黑洞,尤其是在1967年被普林斯顿大学着名物理学家约翰·惠勒采用后,“黑洞”这个词变得广为流行。

从1970年左右开始,天文学家逐渐在宇宙中找到黑洞可能真实存在的观测证据。天文学家发现的黑洞候选体大体上可以分成两大类别:恒星质量黑洞与超大质量黑洞。对于质量位于它们之间的中等质量黑洞,目前的观测证据则要少很多。

2015年,人类首次探测到了来自宇宙中的引力波,引力波的探测可以说是近几年物理与天文学界最重大的突破之一。它不仅进一步验证了广义相对论,而且还对引力波与黑洞的存在给出了关键的观测证据。因此,对这个项目起到决定性作用的三位科学家迅速在2017年获得了诺贝尔物理学奖。这次引力波信号持续时间不到1秒,天文学家相信它来源于两个质量分别约为30和35倍太阳质量黑洞的碰撞并合。这和理论预期是一致的,广义相对论的计算告诉我们当运动的质量拥有变化的加速度时会辐射引力波。在绝大多数情况下,引力波辐射是非常微弱的,而两个互相绕转的致密天体正是天然的引力波源,其在并合前辐射的引力波就相对比较强。

▲LIGO与引力波(图片来源:MIT TECHNOLOGY REVIEW)

近几年引力波事件中探测到的黑洞是恒星质量黑洞,质量大概在数倍到数十倍太阳质量之间。对于这类黑洞,我们已经有了较好的了解,我们相信它们是大质量恒星演化的最终产物。按照估计,银河系大约有千亿颗恒星,其中大质量恒星寿命比较短,多数应该都已经演化成黑洞,银河系中估计大约有1亿颗恒星质量黑洞。目前人类在银河系中只探测到几十颗这类黑洞候选体,其中离我们最近的黑洞麒麟座V616离我们大约有3000光年。

▲黑洞接近太阳系的想象图来源:Spaceanswers网站

如果有未知黑洞靠近我们的家园太阳系,可能会把一些外太阳系的小天体散射进入内太阳系;如果黑洞进入太阳系,它甚至会影响地球的运行轨道,给地球生命带来灾难性影响。黑洞吸积过程产生的高能辐射与喷流也可能对地球产生重大影响。

超大质量黑洞:星系中心的巨兽

▲超大质量黑洞及其吸积盘的艺术想象图来源:Space Engine

此次事件视界望远镜国际合作项目探测的两个黑洞分别是银河系中心黑洞和位于室女座方向的椭圆星系M87中心的黑洞,这两个黑洞都属于超大质量黑洞。

超大质量黑洞的质量通常介于百万到百亿倍太阳质量之间,其典型值是数亿倍太阳质量。从理论上来说,黑洞的质量都集中在中心密度无穷大的奇点,奇点之外是弯曲纠缠的时空。但如果把黑洞的引力半径看成黑洞的大小,那么质量越大的黑洞就显得越“虚胖”。对于十倍太阳质量的恒星质量黑洞,其引力半径大约是三十公里,接近于上海崇明岛的大小,非常致密且其平均密度超过中子星的物质密度。对于1亿倍太阳质量的超大质量黑洞,其引力半径已经增大到太阳与地球距离的两倍,平均密度却仅相当于地球上水的密度,也和太阳的平均物质密度相当。

目前观测到的超大质量黑洞基本都位于星系的中心区域。我们银河系中心就有一个大约四百万倍太阳质量的黑洞,在超大质量黑洞中属于比较小的,其引力半径大约是日地距离的十分之一。

▲银河系银盘示意图——来源:中科院国家天文台

作为宇宙的基本结构单元,星系是黑暗广袤宇宙中的明亮岛屿,其中含有大量暗物质、恒星、气体等物质。银河系中大约有千亿颗如太阳般因中心核聚变发光的恒星。此外,天文学家相信每个大质量星系中心都有一个超大质量黑洞。

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