谢富国:看透了黑洞的前世今生,我要这“黑洞”有何用?

造就 2022-06-24 19:26
茫茫宇宙中,那个看不到的神秘天体——黑洞,让无数科学家为之着迷。
 
你是否也好奇,
黑洞是什么?
黑洞到底长什么样儿?
人类又是如何寻找和发现黑洞的?
……
 
这次我们有幸邀请到了上海天文台的谢富国老师和我们聊聊黑洞的前世今生。听分享、开脑洞。


谢富国
中科院上海天文台天体物理研究室


大家好,我是来自上海天文台的谢富国,从事天体物理学方面的研究,主要研究的对象是黑洞,因此今天也很高兴有这个机会能和大家聊一聊黑洞。

近几年,引力波天文学领域取得了一些非常重要的观测成果,我们看到了很多黑洞和黑洞的合并事件,也看到了两个中子星的合并事件。然而在致密天体合并的拼图中,黑洞和中子星的合并一直是缺失的一块,天文学家们也一直期待能够观测到黑洞-中子星的合并事件。


终于在去年,人类首次探测到了该类事件。天文学家们在10天内连续发现了两例黑洞“吞食”中子星的事件,这个发现被发表在2021年6月29日的《天体物理学杂志快报》[1]上。

除此之外,物理学届最重要的奖项——诺贝尔物理学奖,在过去10年里,有5次颁发给了天体物理学领域。其中 2017年和2020年的两次,更是直接与黑洞研究相关,由此可见天文学和黑洞研究的重要性。

那么,黑洞有什么特点呢?

· 最致密

大家都知道牛顿提出的万有引力定律。如果我们从地面向上扔出一个小球,那么很快,小球会因为地球引力产生的加速度最终落回地面;如果我们想把小球扔出地球,那么小球的初速度就需要达到地球的逃逸速度,这样它才能完全脱离地球引力的束缚。


逃逸速度,指的是天体表面物体摆脱该天体万有引力的束缚飞向宇宙空间所需的最小速度,其大小与天体的质量,以及物体与天体中心的距离有关。

在18世纪,天文学家拉普拉斯等人开始研究一个问题:如果一个天体,它非常致密,引力极其强大,以至于逃逸速度超过光速,连光都无法逃脱,那么我们会看到什么现象呢?

最直接的是这个天体会不发光,我们将完全看不到它,这就是我们说的“黑洞”。

· 最简单

通常,我们进行人物特征描述的时候会提到多种信息,如高矮、胖瘦、性格等等。那么黑洞,我们要怎么描述它呢?

其实很简单。对于一个研究黑洞外部的物理学家来说,只需要三个信息(三根“毛”):质量、自旋以及电荷。即“黑洞无毛定理”——无论什么样的黑洞,其最终性质仅由少数几个物理量(质量、角动量、电荷)唯一确定[2]


由于其电荷很容易与宇宙中各种带电粒子作用,逐渐被中和,成为电中性,因此对于天文学研究来说,电荷信息并不重要。只需要质量和角动量这两个信息即可。所以我们常说,黑洞是宇宙中最简单的天体。

尽管我们有广义相对论预言了黑洞的存在,但黑洞是不是真的存在呢?这是一个非常基本的问题如果我们不能实实在在地观测到它,很难说这不是我们的脑洞大开。那么如何寻找黑洞呢?

1. “测”黑洞

前面我们提到,黑洞它并不发光,因此我们不能直接观测。这就好比,如果有一天太阳不再发光,我们要怎么证明它的存在?

有诗云“空山不见人,但闻人语响”。实际上,我们可以通过观测地球的运动轨迹,确定其轨道的大小和周期,就能测量为其提供引力的天体的质量,以此来证明太阳的存在。


这个方法也被天文学家用来研究银河系中心是否存在黑洞。经过30年的观测,天文学家发现,银河系中心有很多恒星在围绕着一个未知天体运行。通过牛顿的万有引力理论,他们认为,图上五角星的位置可能存在一个质量非常大但不发光的天体,其质量大约为400万个太阳质量。

这是人类第一次取得“银河系中心可能存在黑洞”的一个间接证据,这个发现也因此获得了2020年的诺贝尔物理学奖。成果来之不易,这背后是天文学家们30年的不懈坚持与努力

他们耐心地观测与追踪恒星的运行轨道,仔细研究并建立模型,克服种种困难,不断开发和改进技术,配备更灵敏的数字光学传感器和更好的自适应光学器件。要做到这些,就需要极高的分辨本领。


在天文学上,望远镜越大,对遥远的恒星进行观测的效果就越好。这两位诺奖获得者的工作,使用的都是最好的观测设备。

Reinhard Genzel研究小组最初使用的是位于智利的新技术望远镜(NTT),而后使用位于智利帕拉纳尔山上的甚大望远镜设施(VLT);而Andrea Ghez研究小组使用的则是位于美国夏威夷冒纳凯阿山上的凯克天文台(Keck)。

其中VLT拥有4台巨型望远镜,每个单位望远镜的直径均超过 8 米;而Keck望远镜的口径有近 10 米,是目前世界上口径最大的光学/近红外线望远镜。

2. “听”黑洞

爱因斯坦的广义相对论告诉我们,如果一个致密天体,它的引力场发生变化,那么它就可能会损失能量,而这个能量将以波(引力波)的形式传播到整个宇宙空间中。

实际上,宇宙中充满了各种的引力波,因为引力波能够几乎不受阻挡地穿过行进途中的天体。当引力波穿过地球时,其传播所经过的空间点,会发生空间拉伸和压缩等物理现象,如动画所示:


但引力波是难以测量的。因为能产生较强引力波的波源都距离地球十分遥远,待传播到地球时,其强度会变得非常微弱。尽管如此困难,但人类还是做到了。

2016年,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布首次探测到了引力波。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。这一重大发现,一方面证实了黑洞的存在,(这实际上是黑洞存在的第一个直接证据)另一方面也验证了广义相对论的预言。

LIGO在相距3000公里的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford架设了两台相同的引力波探测器,其主要部分是两个互相垂直的干涉臂,个臂长约4公里。


由于相距几千公里,因此两台探测器接收到的噪声完全不同,但引力波的信号是一致的,这样两台探测器就互为彼此的噪声过滤器。此外,为了进一步提高探测器的灵敏度,科学家们让大功率的激光束在臂中往返400次,大大增加了有效光程。

所以,它能够探测到10-18米的变化,相当于地球直径变化一个原子的大小,是目前人类历史上最精密的仪器。

3. “看”黑洞

我们总说“百闻不如一见”,那么黑洞到底长什么样子呢?


这是人类首张黑洞照片(上图左边),由EHT(事件视界望远镜)项目组织拍摄,2019年正式发表。公布的照片展示了一个中心为黑色的明亮环状结构,看起来有点像橙色的甜甜圈。

实际上,这个红色或者黄色的区域并不是我们所说的黑洞,而是黑洞周围发光的气体。那么黑洞在哪呢?中间蓝色的那个小圆圈便是黑洞,它比我们看到的黑色“阴影区”还要再小1/3左右。

两年之后,我们给黑洞“梳了几个小辫”(上图右边),这几个小辫其实是我们通过偏振观测看到的黑洞周围的磁场结构以及周围气体的旋转情况。

显然,如果我们要如此清楚地“看”到黑洞,就需要分辨率极其高的望远镜。而一个望远镜的分辨本领与它的波长与口径的比值(波长/口径)有关,波长越短越好,口径越大越好。


EHT项目使用的望远镜,可以说是一个虚拟的望远镜。它利用全球不同地区的8个射电望远镜合力观测,每台望远镜严格对准时间,几亿年才能误差一秒。此外,为了拍到照片,每台望远镜都需要非常好的天气条件,而每年可能也就只有几天能满足这个条件。

除了拍照难之外,“冲洗”照片更难。主要原因有两个:一个是需要处理的数据量十分庞大,另一个是这些数据需要摸索新的数据处理方法。因此,2017年观测,直至2019年才发表论文公布第一张黑洞照片,又再过两年获得黑洞周围磁场的照片。

这是一项重大的国际合作研究,是全球如此多的科学家共同努力的结果。其实早在2017年我们就观测到了银河系中心的黑洞,但到目前为止照片还没有“洗”出来,据说可能在未来半年内和大家见面。


4. 黑洞的前世今生

· 前世

黑洞的诞生,是一个“石破天惊”的过程。对于恒星级质量黑洞(100倍太阳质量以下)的形成,大致有两种方式:


 一种是大质量恒星走向寿命终点,形成所谓的超新星或者伽马射线暴,在中间会留下一个致密天体,那么这个致密天体有可能就是黑洞;一种是由于双/多天体的碰撞、合并而形成,例如双黑洞合并、双中子星合并以及黑洞和中子星的合并等等。

对于超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)是如何发展而来的,目前科学家们仍不明确。如果把这种超大质量黑洞比喻成宇宙中的“巨型怪兽”,那么一万到十万个太阳质量的黑洞可以说是“巨型怪兽”的“种子黑洞”。

当一个大质量的星云直接坍塌,就会形成这种大质量的“种子黑洞”,此外多个恒星或者黑洞的合并事件也会形成大质量的黑洞,进而形成超大质量的黑洞。

· 今生

我们知道,黑洞本身并不发光,但有意思的是它可以通过吞食、吸积周围的气体来发光发热。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个距离较近的双星系统,黑洞就会露出狰狞的爪牙,直接吸积旁边恒星的气体,释放巨大的能量。

当然,我们的星系中也存在一些平静态的黑洞。它们就像潜伏在水里的鳄鱼一般,等待着某颗恒星“走”入它们的吞食范围。它们拥有大的潮汐力,偷袭、强抢路过的恒星,将恒星撕裂,细嚼慢咽直至“吃完”整颗恒星,这个过程一般只需几个月到一年的时间。


黑洞是一个“杂食者”,几乎不挑食,什么气体它都可以“吃”掉。黑洞的“进食”会释放大量的高能辐射,引发喷流、外流,这会影响整个星系的动力学结构。

比如银河系。众所周知,银河系是一个盘状的漩涡星系。在银河系内,科学们发现了十分奇特且大尺度的结构,即银河系中心上下两个直径可达几万光年的伽马射线“泡泡”(右下图紫色区域)。

有研究认为这两个“泡泡”的成因是:银河系中心超级黑洞“大快朵颐”时喷发的喷射流所造成的。虽说如今的银河系十分平静,但在过去,银河系中心的这个超级黑洞可能十分活跃。

5. 一些黑洞的“脑洞”

首先我们要避免接近或者制造出小黑洞。之前关于欧洲大型强子对撞机LHC,很多人就担心如果实验失误撞出一个小黑洞,该怎么办?

其实大家不用太担心。虽然这是人类创造的最大能量的对撞系统,即使真的能撞出小黑洞,那么这个黑洞的质量也非常小(<0.00002g),相应的引力也很小;此外,这种小黑洞会通过霍金辐射快速蒸发掉,因此不会造成什么影响。


但如果我们地球周围有一个恒星级质量的黑洞的话,就会十分可怕。

正如前面提到,黑洞“进食”会释放大量X射线辐射,对于人体来说,不停地照X光是一件极其危险的事;而它“进食”后发出的喷流、外流,这些高能粒子打到地球上必然是十分凶险。即使黑洞目前并没有“进食”,若我们在它周围,其巨大的潮汐力将撕裂一切物体。

那么在地球生命的演化史上,是否曾经出现过类似的情况呢?

我们知道,地球曾遭遇过5次生命大灭绝事件。距今2.5亿年前的那次生物灭绝事件可以说是有史以来最严重的一次,地球上几乎96%的物种灭绝。

这类事件,我们常见的解释是火山爆发或者小行星撞地球。那么也有一些科学家,他们提出了新的可能,认为2.5亿年前的大灭绝可能是因为近邻的超新星爆发产生了黑洞而造成的。

目前,我们已知最近的黑洞距离太阳系2800光年。但大家可能不知道,在太阳系周围100-300光年内可能就存在黑洞,也许是因为它们周围没有气体可以吸积,很平静,因此我们难以发现它们。

在过去的100年,人类的科技取得了长足的进展,那么未来我们是否能利用黑洞呢?

· 黑洞“银行”

黑洞是我们所知最慷慨的一个银行。假如我们存100质量的气体到这个银行,黑洞的自旋会贴补大约40的能量,接着我们就能提取大约140的能量。

对比我们已知的核聚变反应(还没能实现),假如存入100质量的氘氚,那么我们大概只能取出0.7的能量。如果和现在的核电站作比较,效率则更低,比核聚变还要低几千倍。所以说,未来人类要解决能源问题,奔赴星辰大海,可以考虑一下利用黑洞的能量。

· 长寿秘方

自古以来,人类就在不断寻找长生的秘方。其实,在几年前上映的电影《星际穿越》里就暗含了一个有趣的“长寿秘方”,到超大质量的黑洞周围走一走。

超大质量黑洞的周围,时间会变得特别慢,等再回到地球时,你会发现自己很年轻,甚至能看到几百年后的后代,想想都觉得十分厉害。但这里要强调一下,一定是到超大质量黑洞的周围走走,如果是小质量黑洞就不要指望了,前面提到过,很可怕。


在未来十年,会有很多大型的项目开展,届时可以更好地观测与研究黑洞、宇宙的结构和性质等等。国际上有大型全景巡天望远镜(LSST)、韦伯望远镜(JWST)以及雅典娜X射线望远镜。

我们国家也即将发射自己的空间望远镜——中国空间站工程巡天望远镜(简称CSST),预计于2024年发射入近地轨道开展巡天观测。此外,还有由我们中国科学家发起和主导的重大合作空间科学项目——增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP天文台),探索极端宇宙。

这些望远镜都将在今后的天文研究中起到很大的作用。希望未来会有更多的年轻人对天文感兴趣,世界那么大,我们想去看看;天上那么大,我们也想去看看!谢谢大家!

参考文献:
[1] R. Abbott, T. D. Abbott, S. Abraham, et al. Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star–Black Hole Coalescences, The Astrophysical Journal Letters, 2021, 915, L5.
[2] Bekenstein J D . Novel ``no-scalar-hair'' theorem for black holes[J]. Physical Review D Particles & Fields, 1995, 51(12):R6608.
[3] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Physical Review Letters 116 (6).
 
参考资料:
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1679899319407987171&wfr=spider&for=pc 
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1679817599782127861&wfr=spider&for=pc
https://blog.sciencenet.cn/blog-336909-959984.html 
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1651497178915546086&wfr=spider&for=pc
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1638845920600841764&wfr=spider&for=pc

感谢九棵树未来艺术中心对本次活动的大力支持!



编辑|梁蓝
版面|郑思琪




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