出品：科技《科學(xué)大家》
撰文：茍利軍 中國科學(xué)院國家天文臺研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授
從天文學(xué)的角度來看， 2019年可謂是黑洞之年。
這一年，黑洞研究取得了多項突破性進展。4月10日，科學(xué)家發(fā)布首張全球唯一的黑洞照片；11月28日，中科院國家天文臺的科研人員又發(fā)現(xiàn)了銀河系當中最大的恒星級黑洞，除此之外，美國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了宇宙中最小質(zhì)量的黑洞。而這些發(fā)現(xiàn)中，毫無疑問首張黑洞照片是最激動人心的一件事。
銀河系內(nèi)最重的恒星級黑洞LB-1的藝術(shù)想象圖（喻京川繪）
1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，幾個月之后，身處德國戰(zhàn)壕中的物理學(xué)家卡爾·史瓦西（K。 Schwarschild）求得了愛因斯坦方程的精確解，這個解就是現(xiàn)在我們所知道的黑洞解，沒有轉(zhuǎn)動的黑洞解，這也是第一次現(xiàn)代意義上對于黑洞的描述。
在接下來的近一百年里，人類對黑洞的研究僅僅停留在理論上，我們對于黑洞長什么樣幾乎一無所知。
一直到最近十多年，科技的發(fā)展讓人類有機會去追尋、去探究黑洞真實的模樣。終于在2019年4月份，全球20個國家的300多位科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了第一張黑洞照片。
通過黑洞探尋的歷史，我們可以窺探整個科學(xué)發(fā)展的漫長歷史。
說到黑洞，或許我們會有一些恐懼感，因為在很多電影中把黑洞都描述成無所不“吃”，甚至連光和時間都能夠停止的“巨人”，但是在一些物理學(xué)家的眼中，它又是非常神奇的，因為它或許在未來會充當時間之門的角色，帶領(lǐng)人類快速地進行宇宙穿越。
總體來說，黑洞是既神秘又神奇的天體。黑洞引力非常強，所以要認識它，我們就得從引力的發(fā)展歷史去探究。
萬有引力發(fā)展史
談到引力，自然而然我們就會想到17世紀偉大的物理學(xué)家--牛頓，他坐在樹下，看到下落的蘋果，就意識到在宇宙中應(yīng)該存在一種普遍的力，現(xiàn)在我們稱之為萬有引力。
牛頓是一位非常偉大的物理學(xué)家，他不僅僅想到了這一點，他還讓這個想法“落地”了，他根據(jù)這個想法寫下了一個非常經(jīng)典的公式：萬有引力表達式。通過這個公式，我們知道，他認為引力是因為物體有質(zhì)量而存在的。
他把這一理論總結(jié)在經(jīng)典的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中。這一理論發(fā)表后得到了很多人的推崇，因為它不僅可以很好地解釋天體在空間當中的運動，而且可以完美地預(yù)測天體未來的運動狀態(tài)。
在接下來的幾百年中，他的理論不斷被驗證，而且被更為廣泛的應(yīng)用，不僅在物理學(xué)中，還應(yīng)用在其他非常多的學(xué)科中。牛頓理論可以說是現(xiàn)代科學(xué)的起源，但是到了19世紀，更多觀測的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家對牛頓理論提出了挑戰(zhàn)。20世紀初的時候，愛因斯坦首先提出了狹義相對論，十年之后又提出了廣義相對論。在這個新型的理論當中，他提出了一種對引力全新的看法，他認為引力并非由質(zhì)量直接產(chǎn)生，而是由有質(zhì)量的天體導(dǎo)致了宇宙時空的彎曲，彎曲的時空呈現(xiàn)出一種引力的效應(yīng)。
在愛因斯坦提出廣義相對論的幾個月后，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西（K。 Schwarschild）就得到了這個復(fù)雜方程的精確解，但很遺憾的是，這個精確解雖然是黑洞的精確解，但是這個黑洞是沒有轉(zhuǎn)動的黑洞，而在宇宙當中幾乎所有的天體都是轉(zhuǎn)動的，包括地球。所以，愛因斯坦看到這個精確解的時候，雖然很驚奇，但他并不相信這個解是真實存在的。
在接下來的幾十年中，由于戰(zhàn)亂、科技的限制，對于黑洞的研究可以說是停滯的。僅僅在1939年，奧本海默和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量恒星坍縮有可能會形成一個奇點，這就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞，除此之外，對于黑洞的研究并沒有太大的進展。
因為觀測從來沒有發(fā)現(xiàn)過黑洞的蹤跡，所以直到1955年愛因斯坦去世，他都沒有相信黑洞這類神秘的天體是存在的。
黑洞研究黃金三十年
錢德拉X射線天文臺拍攝的天鵝座X-1照片。 來源維基百科
時間到了60年代，1963年新西蘭的數(shù)學(xué)家科爾得到了廣義相對論方程另外一個精確解，這一次的黑洞解是轉(zhuǎn)動的。而在一年之后的1964年，美國科學(xué)家通過發(fā)射探空火箭，第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞的蹤跡，人類歷史上第一個恒星量級的黑洞就此被發(fā)現(xiàn)，這就是我們現(xiàn)在熟知的天鵝座X1。
因為理論和觀測的雙重突破，一下子吸引了大批的天文學(xué)家、物理學(xué)家投入到這個領(lǐng)域中，所以在接下來的二三十年中，黑洞的研究進入了黃金時期。我們現(xiàn)在知道幾乎所有的黑洞知識，都是在這二三十年中獲得的。
在這期間，有一位非常突出的學(xué)者：普林斯頓大學(xué)的惠勒教授。我們現(xiàn)在知道的黑洞這一詞，盡管不是他發(fā)明的，但經(jīng)過他的廣泛推廣，最終被大眾所熟悉。
除了惠勒之外，另外一位需要重點介紹的物理學(xué)家就是霍金?；艚鹪?0年代，當大家還認為黑洞沒有任何輻射的時候，他就提出黑洞應(yīng)該會產(chǎn)生輻射，這就是我們現(xiàn)在所知道的霍金輻射。這個輻射盡管非常微弱，但是0和1的差別卻是天壤之別。
在接下來的幾十年當中，盡管人類在理論上已經(jīng)取得了非常多的知識，但是黑洞究竟長什么模樣，我們還是不知道。所以，最近一次對于黑洞最為震撼的描述，應(yīng)該是2014年上映的《星際穿越》電影。
這部電影中對于黑洞的展現(xiàn)也震撼到了我。不僅僅是我，作為電影科學(xué)顧問的諾獎得主--基普·索恩，他第一次看到高清旋轉(zhuǎn)黑洞的時候，同樣欣喜若狂。為了得到高清黑洞的展現(xiàn)，英國雙重否定公司利用30個人的團隊，花費了將近一年的時間，得到了8000TB的數(shù)據(jù)，最終呈現(xiàn)給影迷如此高清的黑洞渲染特效，并且他們發(fā)表了相關(guān)文章，來展現(xiàn)他們的計算技術(shù)。
從科學(xué)角度對于黑洞探測，一直沒有停止。十年前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段，我們可以把全球望遠鏡聯(lián)網(wǎng)，來自于全球很多國家的科學(xué)家就試圖對一些黑洞進行真正的成像，他們把這個項目叫做視界面望遠鏡項目。
他們想看的兩個黑洞，一個是來自于銀河系中心的黑洞，另外一個位于大約5500萬光年之外的M87黑洞，上圖右側(cè)展示的就是M87光學(xué)波段的黑洞。
需要多大的望遠鏡才能真正看清楚中心黑洞的模樣？上圖就是非常好的說明。藍色代表是哈勃望遠鏡所拍攝到的圖像，而最中間的圓環(huán)就是我們所想拍攝的黑洞的尺度。這兩者之間相差至少幾千倍。所以，如果我們要利用目前最先進的望遠鏡，望遠鏡的口徑要達到幾公里左右，才能分清中心黑洞的模樣。
科學(xué)家沒有辦法去制造如此巨大的光學(xué)望遠鏡，他們發(fā)展出了一套稱之為VLBI聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把全球幾乎所有的亞毫米波望遠鏡連成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)。這個望遠鏡口徑可以達到1萬多公里，就可以對中心黑洞進行成像，這些望遠鏡通常都位于海拔非常高的地方，這是為了減少大氣對于電磁波的吸收。
除了觀測設(shè)備需要不斷改進之外，理論方面也需要做大量模擬，因為黑洞周圍非常復(fù)雜。利用簡單的紙和筆，科學(xué)家已經(jīng)很難對氣體在黑洞周圍的運動狀態(tài)做出描述，這時需要相對論型的磁流體力學(xué)，每一次計算都需要上千個CPU，運算好幾個月。
視界面望遠鏡團隊對于各種不同情形做出了最終計算，上圖展示了其中計算得到的部分結(jié)果。終于一切準備就緒，2017年4月10日到15日，他們利用全球8個不同地方的望遠鏡，對這兩個黑洞進行了觀測，最終得到了大約5 PB的數(shù)據(jù)。
因為數(shù)據(jù)量非常大，而且有一個望遠鏡位于南極。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)很難將數(shù)據(jù)傳輸回來，或許未來5G技術(shù)成熟以后，我們可以直接進行傳輸，科學(xué)家采用的方法是將數(shù)據(jù)拷貝到磁盤上，用飛機運回到數(shù)據(jù)中心。
數(shù)據(jù)中心有兩個，一個位于美國的MIT，另一個在德國。得到數(shù)據(jù)以后，科學(xué)家進行相關(guān)分析，采用不同的方式對圖像進行確認。確認以后，進行重構(gòu)，最終得到我們所看到的黑洞照片。在得到黑洞照片的同時，科學(xué)家已經(jīng)做了數(shù)值的模擬，與數(shù)值模擬庫相比較，從而可以推斷黑洞的性質(zhì)。這就是2019年4月10日晚上9時在全球發(fā)布的第一張黑洞照片。
有了黑洞照片，與先前已經(jīng)得到的數(shù)值結(jié)果相比較，科學(xué)家就可以推斷出有關(guān)于黑洞的性質(zhì)。或許大家會對《星際穿越》電影當中的黑洞印象非常深刻，當然，我們沒有辦法飛到M87周圍去做一直接比較，但是我們可以借助現(xiàn)代性能非常發(fā)達的計算機來模擬整個過程。你可能會問：“為什么我們這次看到的第一張黑洞照片和《星際穿越》電影當中的照片竟然差別如此之大？”
主要的原因是我們看的黑洞視角不一樣， 拍攝M87是沿著黑洞轉(zhuǎn)動的方向去看的，但是《星際穿越》電影中是沿著赤道方向展示的黑洞模樣。這是兩者之間最大的差別。
現(xiàn)代科技不僅僅給黑洞研究帶來了非常大的便利，而且在講述科技對天文研究所帶來影響時，引力波是一個非常值得一講的話題。引力波可以說是時空當中的漣漪，它是致密天體在宇宙中碰撞或者爆發(fā)時釋放出來的巨大能量，對時空所產(chǎn)生的一種波動。
這個波動非常微弱，我們知道，氫彈是地球上破壞力最大的一種武器。當年前蘇聯(lián)所嘗試的氫彈達到了5000萬噸當量，可以說是所有氫彈當中破壞力最大的一次。如果我們能夠站在氫彈爆發(fā)的最中心，去測量它對時空的干擾，干擾僅僅為10的負27次方。一個原子核的大小是10個負18次方米，一個頭發(fā)絲的大小是10的負5次方米。一比較我們就可以看出，這個氫彈盡管對周圍的物體造成了極大破壞，但是對于時空幾乎是毫發(fā)無損。
假如有一天，一個非常強大的引力波穿越地球的時候，會對地球上的人類造成什么影響？它會不斷地拉伸人類。
上圖是以一種夸張的方式展示了引力波對人的影響，一個人會突然變瘦，或突然變胖。但實際上，引力波帶來的人體的變化都沒有一個原子核大。
2015年9月，人類第一次探到引力波，是由美國的引力波激光天文臺探測到的，這次引力波的效應(yīng)僅僅只使得一個原子的尺度發(fā)生了變化，只有10的負18次方米。
由此也說明，我們現(xiàn)代的科技已經(jīng)能夠做到如此精密的測量。
從1915年提出廣義相對論，1916年引力波被預(yù)測，到2015年引力波第一次被直接探測到，人類整整經(jīng)歷了一個世紀的探索。
引力波也幫助人類發(fā)現(xiàn)了很多意想不到的事情，原來我們根本沒有想到在宇宙中，會存在著很多質(zhì)量非常大的黑洞。紫色的原點就是代表傳統(tǒng)望遠鏡所看到的黑洞質(zhì)量，藍色是引力波幫助我們發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量非常大的黑洞。所以，引力波成為人類探索黑洞的一個新窗口。
下一步：拍攝黑洞動態(tài)照
在接下來的很多年內(nèi)，還有一些其他更大的項目正在進行。比如美國的LSST項目（即：Large Synoptic Survey Telescope，大型綜合巡天望遠鏡）。我們現(xiàn)在所看到的很多宇宙都是一個靜態(tài)的宇宙，比如我們會看到一幅非常漂亮的圖畫，而這個望遠鏡的目的就是要制作宇宙的一幅動畫圖。它的數(shù)據(jù)量每晚上可以達到15TB，這對于目前的計算處理能力來說是非常大的挑戰(zhàn)。
當然還有更大的挑戰(zhàn)在等待著我們，中國參與的另外一個大型項目平方公里陣射電望遠鏡（Square Kilometre Array， SKA）。它的尺度可以達到一平方公里以上，包含2萬多個小型望遠鏡，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達到2TB。所以，如何去處理這么龐大的數(shù)據(jù)，的確是一個非常大的挑戰(zhàn)。
縱觀整個人類科學(xué)史的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展得益于天文學(xué)的觀測。過去的幾十年，天文學(xué)又從現(xiàn)代科技中受益無數(shù)，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)幫助科學(xué)家可以去發(fā)現(xiàn)一個更廣闊和更神奇的宇宙。天文學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，我對麻省理工學(xué)院的校長在引力波發(fā)現(xiàn)之后所說的一段話深表贊同，他說道：“基礎(chǔ)科學(xué)是非常辛苦、嚴謹和緩慢的，又是非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果沒有基礎(chǔ)學(xué)科，最好的設(shè)想就無法得到改進，創(chuàng)新也只能是小打小鬧，只有隨著基礎(chǔ)科學(xué)的進步，我們整個社會才能夠取得進步?！?/p>
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