出品：科技《科學(xué)大家》、未來(lái)論壇
撰文：王建民 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員
天文學(xué)家數(shù) “星星”
當(dāng)你和好朋友仰望星空時(shí)，最先映入眼簾的是銀河系。數(shù)一數(shù)天上的星星，是一個(gè)非常浪漫的經(jīng)歷，但在科學(xué)上，數(shù)星星是一件比較嚴(yán)肅的事情。
數(shù)星星的工作讓科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了天體在宇宙里的分布和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這也是最早的天文學(xué)研究方法。那天上的星星是什么？它的物理本質(zhì)是什么？起源是什么？?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)是什么？又如何演化？最終命運(yùn)又是什么？這些疑問(wèn)激起了物理學(xué)家的極大興趣。
開(kāi)普勒三定律的建立，完善了牛頓力學(xué)。牛頓力學(xué)體系的建立，讓人類能夠描述局部的宇宙是什么，太陽(yáng)系八大行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是什么。只是這樣的規(guī)律能不能適合于整個(gè)宇宙，這是現(xiàn)代宇宙學(xué)需要解決的問(wèn)題。
上個(gè)世紀(jì)20年代，最大的天文發(fā)現(xiàn)是哈勃定律的發(fā)現(xiàn)。今年剛好是哈勃定律發(fā)現(xiàn)90周年。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，讓人類知道天外有“天”，不僅有“天”，而且“天”還是運(yùn)動(dòng)的“天”。
1929年之后，眾多天文學(xué)家和理論物理學(xué)家對(duì)膨脹的宇宙進(jìn)行探討。這也使人類對(duì)宇宙的了解取得了前所未有的成就，但也帶來(lái)了空前挑戰(zhàn)：暗物質(zhì)與暗能量的問(wèn)題。
1915年，愛(ài)因斯坦提出了他最著名的廣義相對(duì)論。這個(gè)理論告訴大家，時(shí)空和物質(zhì)是密切相互作用的。描述的是物質(zhì)，描述的是時(shí)空。物質(zhì)決定時(shí)空、時(shí)空決定物質(zhì)分布，這是觀念上的一次革命。而對(duì)廣義相對(duì)論最嚴(yán)峻的檢驗(yàn)，就體現(xiàn)在對(duì)宇宙動(dòng)力學(xué)的理解。
眾所周知，對(duì)牛頓引力定律的檢驗(yàn)，是通過(guò)太陽(yáng)系的幾大行星運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。對(duì)于廣義相對(duì)論的檢驗(yàn)，可能需要通過(guò)對(duì)宇宙動(dòng)力學(xué)和它膨脹歷史的測(cè)量來(lái)完成。這將是一個(gè)規(guī)模宏大的、持續(xù)最久的實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)。
愛(ài)因斯坦在1916年，也就是發(fā)表廣義相對(duì)論一年之后，提出了量。現(xiàn)在，我們知道在廣義相對(duì)論的方程里，必須要加一個(gè)暗能量項(xiàng)，這樣才能夠體現(xiàn)出宇宙可能是加速膨脹的。量的研究，現(xiàn)在已經(jīng)成為物理學(xué)和天文學(xué)最令人困惑的難題。
愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的奇點(diǎn)
正是對(duì)愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程求解，人類才知道，銀河系中心有一個(gè)430萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。1916年，K。 Schwarschild在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)壕中，求解愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程得到了第一個(gè)解。這個(gè)解出現(xiàn)了一個(gè)奇點(diǎn)：在R等于RS的時(shí)候變成無(wú)窮大，這就意味著光也逃不出來(lái)，進(jìn)而意味著黑洞的存在。但在當(dāng)時(shí)，這個(gè)理論的預(yù)言沉寂了很多年，直到上世紀(jì)60年代高能天體物理的興起，才使天文學(xué)家開(kāi)始審視這個(gè)奇點(diǎn)的觀測(cè)意義。
如何去檢驗(yàn)黑洞的存在？德國(guó)天文學(xué)家R。 Genzel通過(guò)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡：VLT望遠(yuǎn)鏡，由四個(gè)8米望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的觀測(cè)，獲得了觀測(cè)檢驗(yàn)黑洞存在的最強(qiáng)證據(jù)。
這4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡干涉模式的空間分辨率可以達(dá)到幾個(gè)毫角秒，相當(dāng)于從北京，能看到華盛頓比毫米級(jí)還小的物體。只有這個(gè)分辨率，我們才能夠分辨黑洞周圍的恒星，進(jìn)而測(cè)量黑洞周圍的恒星運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)，才能夠把黑洞質(zhì)量精確的測(cè)量出來(lái)。
通過(guò)觀測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)黑洞旁的恒星在進(jìn)行非常有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。2018年，科學(xué)家通過(guò)VLT觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)恒星運(yùn)動(dòng)軌道已偏離了開(kāi)普勒軌道，與廣義相對(duì)論預(yù)言一致，這也是對(duì)廣義相對(duì)論最直接和最可靠的檢驗(yàn)。
講到黑洞，不得不提1963年類星體的發(fā)現(xiàn)。上圖是美國(guó)天文學(xué)家M。 Schmidt，當(dāng)時(shí)他在加州理工學(xué)院工作，正是他成功拍攝到射電強(qiáng)源3C273的光學(xué)光譜，成為人類發(fā)現(xiàn)的第一顆類星體。
當(dāng)時(shí)，這些寬達(dá)每秒數(shù)千公里的譜線十分令人困惑。但是如果考慮一個(gè)系統(tǒng)紅移，這些譜線就可以完全理解為氫原子的譜線。
令人吃驚的是這個(gè)紅移相當(dāng)大：z=0.158。要解釋這樣大的紅移，3C273的輻射能量將非常巨大，需要遠(yuǎn)比核能高效的能源機(jī)制。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)也立刻成為物理界和天文界的熱點(diǎn)問(wèn)題。到現(xiàn)在為止，有兩點(diǎn)能夠確定：第一，這個(gè)紅移肯定是宇宙學(xué)紅移，而不是局部區(qū)域的引力場(chǎng)產(chǎn)生的紅移；第二，能夠解釋這么大輻射能量只有超大質(zhì)量黑洞的吸積過(guò)程，典型的黑洞質(zhì)量大約是太陽(yáng)的5億倍。這也是天文學(xué)家花了大約30年時(shí)間建立起的理論模型，其中的過(guò)程充滿了激宕思辨和爭(zhēng)論，堪稱天文學(xué)史中極為精彩的一章。
如何理解超大質(zhì)量黑洞
超大質(zhì)量黑洞即質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量100萬(wàn)倍的黑洞，如何徹底理解超大質(zhì)量黑洞，下一步工作就是建立可靠的方法測(cè)量它們的質(zhì)量，獲得質(zhì)量分布、研究它們?nèi)绾涡纬珊脱莼?/p>
那么，第一代超大質(zhì)量黑洞在哪里？黑洞質(zhì)量有上限嗎？它們對(duì)寄主星系是否有影響？作為宇宙學(xué)天體，我們能否從中獲得宇宙動(dòng)力學(xué)演化和宇宙的膨脹歷史？
人們?yōu)榇颂接懥碎L(zhǎng)達(dá)50多年，直到2018年，科學(xué)家在VLT上實(shí)現(xiàn)了干涉直接測(cè)量，空間分解了輻射線寬高達(dá)每秒幾千公里的輻射區(qū)域，使得黑洞質(zhì)量能足夠精確測(cè)量，為黑洞研究和測(cè)量宇宙動(dòng)力學(xué)的歷史帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。自此，黑洞作為宇宙燭光，為人類“照亮”了宇宙。
到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)對(duì)類星體標(biāo)準(zhǔn)光譜有了較為透徹的理解。類星體的輻射功率大概是從1010到1013的太陽(yáng)光度，質(zhì)量范圍大約是106-1010的太陽(yáng)質(zhì)量。這么大的數(shù)字已經(jīng)很難利用除了數(shù)學(xué)之外的語(yǔ)言來(lái)表述，從這一方面也可以側(cè)面解釋天文數(shù)字的由來(lái)。
由于類星體對(duì)天文學(xué)巨大的推動(dòng)，它的發(fā)現(xiàn)者M(jìn)。 Schmidt和理論解釋者D。 Lynden-Bell在2008年獲得了Kavli獎(jiǎng)（編者注：該獎(jiǎng)作為諾獎(jiǎng)補(bǔ)充，主要授予在天體物理、納米科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)這3個(gè)領(lǐng)域做出基礎(chǔ)突破性貢獻(xiàn)的科學(xué)家。），但這也是在發(fā)現(xiàn)類星體的45年之后了。
黑洞燭光：“照亮”宇宙膨脹歷史
到現(xiàn)在為止，科學(xué)家從美國(guó)斯隆數(shù)字巡天（SDSS）中大約發(fā)現(xiàn)近50萬(wàn)個(gè)處于活動(dòng)狀態(tài)的超大質(zhì)量黑洞。其實(shí)每個(gè)星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，它們處于休眠狀態(tài)，在電磁波波段看不到。有這么多超大質(zhì)量的黑洞，它們?nèi)绾握樟亮藙×已莼械挠钪?，又如何為翻開(kāi)宇宙的歷史打開(kāi)一扇窗戶？
根據(jù)哈勃定律，倒推宇宙歷史，我們可以得到宇宙來(lái)自于一次大爆炸。宇宙大爆炸最直接的證據(jù)來(lái)自于宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)。目前，微波背景的測(cè)量已經(jīng)從地面挪到了太空，進(jìn)入了精確宇宙學(xué)時(shí)代。
宇宙學(xué)中最重要內(nèi)容之一就是如何測(cè)量去丈量宇宙的幾何、如何去測(cè)量天體距離。100年以前，哈佛大學(xué)的Leavitt女士發(fā)現(xiàn)了造父變星的光變周期和它的光度有一個(gè)強(qiáng)相關(guān)：造父變星光度越大，光變周期就越長(zhǎng)。這個(gè)關(guān)系的本質(zhì)是由恒星結(jié)構(gòu)本身決定的。依此可以測(cè)量銀河系以外的宇宙距離， 90年前哈勃就是采用這個(gè)傳統(tǒng)方法獲得“宇宙在膨脹”。
經(jīng)過(guò)一百年的測(cè)量，美國(guó)天文學(xué)家W。 Freedman領(lǐng)導(dǎo)的哈勃望遠(yuǎn)鏡重點(diǎn)項(xiàng)目，測(cè)量出哈勃常數(shù)是，相對(duì)誤差為10%，這個(gè)測(cè)量的結(jié)果在2009年獲得了國(guó)際天文學(xué)會(huì)宇宙學(xué)最高級(jí)的獎(jiǎng)項(xiàng)。2019年天文學(xué)家又提出了基于一類特殊的位于星系最邊緣恒星的測(cè)量，這類恒星的測(cè)量受紅化和消光影響最小，它測(cè)量出的哈勃常數(shù)是在左右。
但是故事遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，一方面造父變星測(cè)量只是臨近宇宙的哈勃常數(shù)；另一方面，由高精度宇宙微波背景測(cè)量的哈勃常數(shù)顯著比傳統(tǒng)測(cè)量方法小，而且顯著性接近5，這就是最近A。 Riess提出的所謂“哈勃常數(shù)危機(jī)”（H0-tention）。這是一個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：要么標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型需要修改，要么傳統(tǒng)測(cè)量方法有難于克服的系統(tǒng)誤差，或者兩者都需要修改。
Ia型超新星
Ia型超新星是一類可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化方法實(shí)現(xiàn)宇宙距離測(cè)量的工具，比造父變星亮數(shù)個(gè)量級(jí)。這一工具的理論基礎(chǔ)來(lái)源于印度裔的美國(guó)物理學(xué)家S。 Chandrasekhar，他基于電子簡(jiǎn)并壓提出白矮星質(zhì)量有一個(gè)極限，如果超越這個(gè)極限，白矮星將會(huì)塌縮，并爆發(fā)形成超新星，因此可粗略作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。由于這一類超新星的光譜中沒(méi)有氫元素和氦元素的發(fā)射線，被稱作Ia型超新星。
M。 Phillips在1993年發(fā)現(xiàn)了將Ia型超新星標(biāo)準(zhǔn)化的定律：如果超新星持續(xù)爆發(fā)時(shí)間比較長(zhǎng)，那么超新星就比較亮，這個(gè)關(guān)系使得利用超新星精確測(cè)量宇宙學(xué)距離變成了可能，否則，科學(xué)家就不會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹現(xiàn)象。
美國(guó)的三個(gè)天體物理學(xué)家，S。 Perlmutter， B。 Schmidt和A。 Riess通過(guò)艱苦卓絕的觀測(cè)，在1998-1999年發(fā)表了宇宙加速膨脹現(xiàn)象。這是一個(gè)令物理學(xué)家無(wú)比困惑的觀測(cè)現(xiàn)象，因?yàn)橐?huì)使得膨脹的速度減小，但是宇宙為什么還會(huì)加速膨脹？于是暗能量作為宇宙加速膨脹機(jī)制立刻成為天文和物理學(xué)交叉的最前沿課題。但到現(xiàn)在我們也不知道它們的本質(zhì)是什么。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹的現(xiàn)象，這三位天文學(xué)家在2011年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
利用超新星的測(cè)量宇宙距離時(shí)發(fā)現(xiàn)，紅移大于1.5以后，Ia型超新星的數(shù)量就急劇減少，這是恒星演化規(guī)律所決定的。宇宙距離的階梯在紅移1.5左右可能就斷了，丈量更高紅移的宇宙是天體物理學(xué)家所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。其中一個(gè)流行測(cè)量方法是通過(guò)重子聲波震蕩（BAO）的固有長(zhǎng)度和張角來(lái)測(cè)量距離（還有特別是恒星級(jí)雙黑洞的引力波作為標(biāo)準(zhǔn)鈴聲）。
但是這樣一個(gè)測(cè)量的結(jié)果，需要基于宇宙學(xué)膨脹歷史動(dòng)力學(xué)的一個(gè)假設(shè)，只是相對(duì)測(cè)量，不是直接測(cè)量。我們可以對(duì)比一下低紅移和高紅移的現(xiàn)有BAO測(cè)量。高紅移的測(cè)量遠(yuǎn)不能給予現(xiàn)有模型任何有效的限制。在低紅移里，又出現(xiàn)了前文提到的“哈勃常數(shù)危機(jī)”。
在這個(gè)精確宇宙學(xué)時(shí)代，更多的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)卻使我們面臨了更大挑戰(zhàn)，呼喚我們?nèi)?shí)現(xiàn)最基本和最純粹的幾何的測(cè)量。上個(gè)世紀(jì)的兩朵烏云中，對(duì)黑體輻射的高精度測(cè)量催生了“光量子”的誕生；現(xiàn)在對(duì)宇宙學(xué)距離的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到黑體輻射精度，這是對(duì)宇宙加速膨脹本質(zhì)理解的最大障礙，因?yàn)楝F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)數(shù)據(jù)精度難于產(chǎn)生革命性理論。因此，這個(gè)時(shí)代呼喚著用純粹幾何學(xué)的方法測(cè)量宇宙的結(jié)構(gòu)和膨脹的歷史。
最近，歐洲VLT望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了重大的突破：在近紅外干涉技術(shù)下，VLT第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)I型類星體的干涉測(cè)量，空間分解寬發(fā)射線區(qū)域獲得了其角分布。測(cè)量的等效空間分辨率達(dá)到了10個(gè)微角秒。
那么如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量呢？近紅外干涉的測(cè)量原理與射電波段完全一樣，但對(duì)于在近紅外和光學(xué)方面的測(cè)量卻非常困難，因?yàn)橄辔徊钍艿酱髿庥绊?，難于保持和測(cè)量。如果我們用VLT干涉測(cè)量類星體的核心，再采用光譜定位技術(shù)測(cè)量寬發(fā)射線不同位置光子中心之間有一個(gè)光行差。對(duì)光行差的測(cè)量可以獲得類星體寬線區(qū)相對(duì)于觀測(cè)者的張角。
另一方面，我們通過(guò)測(cè)量類星體寬發(fā)射線光變相對(duì)于連續(xù)譜的時(shí)間延遲，乘上光速后，就得到了類星體寬線區(qū)的物理尺度。這一技術(shù)被稱為反響映射，目前已經(jīng)非常成熟。兩者相除即可得到黑洞的角距離。
VLT第一次實(shí)現(xiàn)近紅外的干涉測(cè)量成功測(cè)量遙遠(yuǎn)宇宙學(xué)尺度上某個(gè)輻射區(qū)的角徑，而麗江兩米四望遠(yuǎn)鏡可以完成反響映射測(cè)量，獲得這個(gè)區(qū)域的物理尺度。兩者相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)距離和黑洞質(zhì)量的同時(shí)直接測(cè)量，我們得到哈勃常數(shù)為相對(duì)誤差為15%，這是一個(gè)很有希望的新方法，達(dá)到了珠聯(lián)璧合的效果。
我們第一次在紅移z=0.158的尺度上實(shí)現(xiàn)了距離的直接測(cè)量，盡管相對(duì)誤差為15%，但未來(lái)隨著VLT和2米望遠(yuǎn)鏡合作的開(kāi)展，精度有望達(dá)到3%，甚至更高。
這個(gè)測(cè)量有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一，不依賴于消光和紅化改正；第二，不依賴于距離階梯的層層定標(biāo)。這兩點(diǎn)正是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)工具測(cè)量方法無(wú)法克服的困難。我們首次測(cè)得的哈勃常數(shù)正好是在微波背景輻射和超新星測(cè)量結(jié)果的中間。這就意味著標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型中暗能量性質(zhì)將得到觀測(cè)限制。
到現(xiàn)在為止，這種聯(lián)合分析僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)1個(gè)類星體距離的測(cè)量。近期，GRAVITY團(tuán)隊(duì)告訴我，他們已經(jīng)測(cè)量了第2個(gè)目標(biāo)。今后我們就有可能實(shí)現(xiàn)更多類星體的距離測(cè)量，這將會(huì)對(duì)暗能量的性質(zhì)給出精確限制，使得我們對(duì)宇宙學(xué)加速膨脹的歷史有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。
另外一類黑洞的新結(jié)果就是我們?cè)邴惤瓋擅淄h(yuǎn)鏡上開(kāi)展的對(duì)超愛(ài)黑洞的觀測(cè)研究。超愛(ài)黑洞是對(duì)超愛(ài)丁頓吸積黑洞的簡(jiǎn)稱，這一類黑洞或?qū)?huì)給出高紅移宇宙的膨脹歷史。
怎么做？我們知道黑洞的吸積有一個(gè)最大的吸積率，這個(gè)時(shí)候被吸積的物質(zhì)受到的黑洞引力與輻射壓達(dá)到了平衡。
這些黑洞的輻射有何特點(diǎn)？從這張圖上我們可以看到這些鋸齒狀的特征，它們不同于正常的類星體，是鐵一價(jià)離子的輻射，是超愛(ài)黑洞特有的。通過(guò)這些特征可以把類星體里面的超愛(ài)黑洞找出來(lái)研究黑洞吸積的飽和光度和黑洞的快速增長(zhǎng)，即它是如何形成超大質(zhì)量黑洞以及黑洞燭光測(cè)量距離。
我們已經(jīng)在麗江的望遠(yuǎn)鏡上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了飽和光度，使以飽和光度作為基礎(chǔ)的距離測(cè)量有了觀測(cè)基礎(chǔ)。精度比超新星要差一點(diǎn)，但是類星體的壽命要比Ia型超新星長(zhǎng)得多，紅移高得多、數(shù)目多得多。中科院理論物理所的蔡榮根院士領(lǐng)導(dǎo)的小組，完成了對(duì)利用超愛(ài)黑洞測(cè)量宇宙學(xué)的模擬，檢驗(yàn)了它的宇宙學(xué)測(cè)量能力。我們可能測(cè)量到宇宙在紅移1到4之間的膨脹的歷史。
黑洞可“照亮”宇宙的物質(zhì)組成
利用這些黑洞，我們還可以把宇宙里的物質(zhì)組成“照亮”。有理論估計(jì)表明，如果哈勃常數(shù)測(cè)量達(dá)到1%的精度，我們還可以了解宇宙的物質(zhì)組分。我們將可以知道，在4%的重子物質(zhì)里面有多少是中微子和它們的質(zhì)量是多少？
其實(shí)在宇宙里面還存在著超大質(zhì)量的雙黑洞。當(dāng)兩個(gè)黑洞共舞的時(shí)候，我們將能“看到”波長(zhǎng)在幾光年到幾十光年尺度上引力波的壯觀漣漪。我們知道大質(zhì)量黑洞存在于星系中心，由于星系會(huì)發(fā)生并合，這樣就意味著在星系的中心可能存在超大質(zhì)量雙黑洞。
距離在1kpc的雙黑洞在巡天結(jié)果中十分常見(jiàn)，但遺憾的是，我們到現(xiàn)在為止尚未觀測(cè)到距離小于1pc （約3.26光年） 的超大質(zhì)量雙黑洞，嚴(yán)重阻礙了利用脈沖星計(jì)時(shí)陣列來(lái)探測(cè)納赫茲引力波的研究。
因此，我們希望能夠通過(guò)探測(cè)大質(zhì)量的雙黑洞和測(cè)量軌道參數(shù)，來(lái)幫助探測(cè)和檢驗(yàn)納赫茲引力波。它們?cè)谀睦?，它們的性質(zhì)是什么？
百赫茲的引力波和納赫茲引力波觀測(cè)檢驗(yàn)上存在巨大差別。我們知道在一秒鐘內(nèi)恒星級(jí)雙黑洞完成并合，產(chǎn)生了百赫茲引力波，我們不僅可以測(cè)量到波形，還可以測(cè)量到波形的變化。波形的變化對(duì)我們理解引力波和測(cè)距是至關(guān)重要的。然而對(duì)納赫茲引力波而言，我們不可能看到波形的變化。因?yàn)樗闹芷谑窃诎倌炅考?jí)，它的并合時(shí)間是在千年。
如何檢驗(yàn)納赫茲引力波與雙黑洞的物理關(guān)系？幸運(yùn)地是，我們同樣可以利用干涉觀測(cè)和兩米口徑望遠(yuǎn)鏡的反響映射觀測(cè)聯(lián)合分析，對(duì)干涉相位曲線和反響映射的二維轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙黑洞軌道參數(shù)的測(cè)量并檢驗(yàn)引力波。這使得我們能夠有機(jī)會(huì)理解納赫茲引力波的性質(zhì)。這是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，亟待從理論和觀測(cè)上有所突破。
目前國(guó)際上對(duì)于理解暗能量有哪些觀測(cè)計(jì)劃？第一個(gè)是從2013年開(kāi)始的DES（The Dark Energy Survey）計(jì)劃，由一個(gè)四米口徑的望遠(yuǎn)鏡位于智利。DESI大型觀測(cè)計(jì)劃始于2018年，主要是星系光譜巡天測(cè)量BAO。還有美國(guó)下一代的WFIRST空間望遠(yuǎn)鏡、歐洲空間局的Euclid，這些望遠(yuǎn)鏡基本上是通過(guò)超新星和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)來(lái)理解暗能量，或者還通過(guò)弱引力透鏡來(lái)理解暗能量，試圖來(lái)理解宇宙的膨脹歷史。
在低頻引力波觀測(cè)方面，國(guó)際以百米以上的大型射電望遠(yuǎn)鏡為主，觀測(cè)毫秒脈沖星陣列脈沖到達(dá)的時(shí)間延遲。幸運(yùn)的是中國(guó)的“天眼”FAST將探測(cè)到更高質(zhì)量的毫秒脈沖星，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖星時(shí)延探測(cè)，有望未來(lái)能夠探測(cè)到納赫茲引力波，為揭示黑洞的演化做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。更令人高興的是，中國(guó)已經(jīng)加入到SKA并成為其中的一個(gè)重要的成員。對(duì)未來(lái)低頻引力波的測(cè)量，中國(guó)也有可能做出突破性的貢獻(xiàn)。
上圖是從1936年到今年為止的這樣一個(gè)天體物理有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者排行榜。很遺憾尚未沒(méi)有中國(guó)人。從2011年2016年到2019年，三次諾獎(jiǎng)都頒給了天體物理，特別是跟宇宙學(xué)和黑洞密切相關(guān)。我相信，黑洞能“照亮”宇宙，解鎖更多宇宙奧秘。中國(guó)加油！
注：本文根據(jù)王建民研究員在2019未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上的演講整理而來(lái)，有刪減
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