從天文學的角度來看,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,科學家發佈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現了銀河系當中最大的恒星級黑洞,除此之外,美國科學家還發現了宇宙中最小質量的黑洞。 而這些發現中,毫無疑問首張黑洞照片是最激動人心的一件事。
銀河系內最重的恒星級黑洞LB-1的藝術想像圖(喻京川繪)
1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,幾個月之後,身處德國戰壕中的物理學家卡爾·史瓦西(K。Schwarschild)求得了愛因斯坦方程的精確解,這個解就是現在我們所知道的黑洞解,沒有轉動的黑洞解,這也是第一次現代意義上對於黑洞的描述。
在接下來的近一百年裏,人類對黑洞的研究僅僅停留在理論上,我們對於黑洞長什麼樣幾乎一無所知。
一直到最近十多年,科技的發展讓人類有機會去追尋、去探究黑洞真實的模樣。 終於在2019年4月份,全球20個國家的300多位科學家聯合發佈了第一張黑洞照片。
通過黑洞探尋的歷史,我們可以窺探整個科學發展的漫長歷史。
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够停止的“巨人”,但是在一些物理學家的眼中,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。 黑洞引力非常强,所以要認識它,我們就得從引力的發展歷史去探究。
萬有引力發展史
談到引力,自然而然我們就會想到17世紀偉大的物理學家--牛頓,他坐在樹下,看到下落的蘋果,就意識到在宇宙中應該存在一種普遍的力,現在我們稱之為萬有引力。
牛頓是一比特非常偉大的物理學家,他不僅僅想到了這一點,他還讓這個想法“落地”了,他根據這個想法寫下了一個非常經典的公式:萬有引力運算式。 通過這個公式,我們知道,他認為引力是因為物體有質量而存在的。
他把這一理論總結在經典的《自然哲學的數學原理》一書中。 這一理論發表後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,而且可以完美地預測天體未來的運動狀態。
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用,不僅在物理學中,還應用在其他非常多的學科中。 牛頓理論可以說是現代科學的起源,但是到了19世紀,更多觀測的發現,讓科學家對牛頓理論提出了挑戰。 20世紀初的時候,愛因斯坦首先提出了狹義相對論,十年之後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,他認為引力並非由質量直接產生,而是由有質量的天體導致了宇宙時空的彎曲,彎曲的時空呈現出一種引力的效應。
在愛因斯坦提出廣義相對論的幾個月後,德國物理學家卡爾·史瓦西(K。Schwarschild)就得到了這個複雜方程的精確解,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動的黑洞,而在宇宙當中幾乎所有的天體都是轉動的,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,但他並不相信這個解是真實存在的。
在接下來的幾十年中,由於戰亂、科技的限制,對於黑洞的研究可以說是停滯的。 僅僅在1939年,奧本海默和他的學生發現了大質量恒星坍縮有可能會形成一個奇點,這就是我們現在所知道的黑洞,除此之外,對於黑洞的研究並沒有太大的進展。
因為觀測從來沒有發現過黑洞的踪迹,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鹅座X-1照片(來源維琪百科)
時間到了60年代,1963年紐西蘭的數學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動的。 而在一年之後的1964年,美國科學家通過發射探空火箭,第一次發現了黑洞的踪迹,人類歷史上第一個恒星量級的黑洞就此被發現,這就是我們現在熟知的天鹅座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家、物理學家投入到這個領域中,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,有一比特非常突出的學者:普林斯頓大學的惠勒教授。 我們現在知道的黑洞這一詞,儘管不是他發明的,但經過他的廣泛推廣,最終被福斯所熟悉。
除了惠勒之外,另外一位需要重點介紹的物理學家就是霍金。 霍金在70年代,當大家還認為黑洞沒有任何輻射的時候,他就提出黑洞應該會產生輻射,這就是我們現在所知道的霍金輻射。 這個輻射儘管非常微弱,但是0和1的差別卻是天壤之別。
在接下來的幾十年當中,儘管人類在理論上已經取得了非常多的知識,但是黑洞究竟長什麼模樣,我們還是不知道。 所以,最近一次對於黑洞最為震撼的描述,應該是2014年上映的《星際穿越》電影。
這部電影中對於黑洞的展現也震撼到了我。 不僅僅是我,作為電影科學顧問的諾獎得主--基普·索恩,他第一次看到高清旋轉黑洞的時候,同樣欣喜若狂。 為了得到高清黑洞的展現,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的數據,最終呈現給影迷如此高清的黑洞渲染特效,並且他們發表了相關文章,來展現他們的計算科技。
從科學角度對於黑洞探測,一直沒有停止。 十年前,科學技術發展到一定階段,我們可以把全球望遠鏡聯網,來自於全球很多國家的科學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於銀河系中心的黑洞,另外一個位於大約5500萬光年之外的M87黑洞,上圖右側展示的就是M87光學波段的黑洞。
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。 藍色代表是哈勃朢遠鏡所拍攝到的影像,而最中間的圓環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,如果我們要利用現時最先進的望遠鏡,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。
科學家沒有辦法去製造如此巨大的光學望遠鏡,他們發展出了一套稱之為VLBI聯網的科技,把全球幾乎所有的亞毫米波望遠鏡連成一個龐大的網絡。 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於海拔非常高的地方,這是為了减少大氣對於電磁波的吸收。
除了觀測設備需要不斷改進之外,理論方面也需要做大量類比,因為黑洞周圍非常複雜。 利用簡單的紙和筆,科學家已經很難對氣體在黑洞周圍的運動狀態做出描述,這時需要相對論型的磁流體力學,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於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果。 終於一切準備就緒,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的數據。
因為數據量非常大,而且有一個望遠鏡位於南極。 利用現有的網絡很難將資料傳輸回來,或許未來5G技術成熟以後,我們可以直接進行傳輸,科學家採用的方法是將數據拷貝到磁片上,用飛機運回到資料中心。
資料中心有兩個,一個位於美國的MIT,另一個在德國。 得到數據以後,科學家進行相關分析,採用不同的管道對影像進行確認。 確認以後,進行重構,最終得到我們所看到的黑洞照片。 在得到黑洞照片的同時,科學家已經做了數值的類比,與數值模擬庫相比較,從而可以推斷黑洞的性質。 這就是2019年4月10日晚上9時在全球發佈的第一張黑洞照片。
有了黑洞照片,與先前已經得到的數值結果相比較,科學家就可以推斷出有關於黑洞的性質。 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代效能非常發達的電腦來類比整個過程。 你可能會問:“為什麼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,它是緻密天體在宇宙中碰撞或者爆發時釋放出來的巨大能量,對時空所產生的一種波動。
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。 如果我們能够站在氫彈爆發的最中心,去量測它對時空的干擾,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,一個頭髮絲的大小是10的負5次方米。 一比較我們就可以看出,這個氫彈儘管對周圍的物體造成了極大破壞,但是對於時空幾乎是毫髮無損。
假如有一天,一個非常强大的引力波穿越地球的時候,會對地球上的人類造成什麼影響? 它會不斷地拉伸人類。
上圖是以一種誇張的管道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,是由美國的引力波雷射天文臺探測到的,這次引力波的效應僅僅只使得一個原子的尺度發生了變化,只有10的負18次方米。
由此也說明,我們現代的科技已經能够做到如此精密的量測。
從1915年提出廣義相對論,1916年引力波被預測,到2015年引力波第一次被直接探測到,人類整整經歷了一個世紀的探索。
引力波也幫助人類發現了很多意想不到的事情,原來我們根本沒有想到在宇宙中,會存在著很多質量非常大的黑洞。 紫色的原點就是代表傳統望遠鏡所看到的黑洞質量,藍色是引力波幫助我們發現的質量非常大的黑洞。 所以,引力波成為人類探索黑洞的一個新窗口。
下一步:拍攝黑洞動態照
在接下來的很多年內,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)。 我們現在所看到的很多宇宙都是一個靜態的宇宙,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製作宇宙的一幅動畫圖。 它的數據量每晚上可以達到15TB,這對於現時的計算處理能力來說是非常大的挑戰。
當然還有更大的挑戰在等待著我們,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,每秒鐘產生的數據量達到2TB。 所以,如何去處理這麼龐大的數據,的確是一個非常大的挑戰。
縱觀整個人類科學史的發展,現代科學的發展得益於天文學的觀測。 過去的幾十年,天文學又從現代科技中受益無數,現代科學技術幫助科學家可以去發現一個更廣闊和更神奇的宇宙。 天文學作為一門基礎學科,我對麻省理工學院的校長在引力波發現之後所說的一段話深表贊同,他說道:“基礎科學是非常辛苦、嚴謹和緩慢的,又是非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果沒有基礎學科,最好的設想就無法得到改進,創新也只能是小打小鬧,只有隨著基礎科學的進步,我們整個社會才能够取得進步。”