南方日報訊 （記者/鍾哲）春節期間，電影《流浪地球》激發了社會大眾對空間科學的熱情。10日，空間科學迎來又一個重大突破：人類終於首次拍到了黑洞的照片。
人類對黑洞的探索經歷了哪些階段？黑洞會對我們的生活帶來什麼影響？記者採訪了中山大學（下稱“中大”）、華南理工大學（下稱“華工”）的專家學者獲悉，中大空間引力波探測“天琴計劃”衛星升空並投入使用後，科研人員有望結合引力波與電磁波兩種觀測手段，在宇宙中看一場大質量黑洞併合的“有聲電影”。
黑洞在宇宙中廣泛存在
黑洞是基於愛因斯坦廣義相對論所推導得出的理論預言。一個世紀前，愛因斯坦提出廣義相對論，將引力與時空的彎曲聯繫起來，而黑洞就是時空被扭曲到極致的產物。當大量質量聚集在一個極小的範圍內時，其周圍的引力場強度會變得極強，以至於連光都無法逃脫，就形成了黑洞。
“電影《星際穿越》中有一張非常震撼的照片，是因引力波探測獲得諾貝爾獎的基普·索恩帶領團隊耗費一年時間模擬出來的。這也是學界公認的通過理論計算得到的最真實的黑洞圖像。”華工物理與光電學院教授張向東介紹，在此之前人類並沒有在真正意義上拍攝過黑洞的照片。
一個不會反射光線的物體，怎樣才能把它“拍”出來？著名物理學家霍金曾提出一個形象的比喻：在一個晚會中，男生都穿黑衣服，女生穿白衣服，男女兩兩配對跳舞。當把現場的所有燈都熄滅後，雖然我們依然看不到男生，但由於白衣女生正環繞著男生在轉圈，我們就能知道那裡有個男生在跳舞。
“同理，黑洞本身不可見，但黑洞周圍會環繞著許多物質，物質旋轉陷入黑洞時會發光發熱（產生電磁輻射），通過觀測這些物質運行的軌道就可以推算黑洞的位置和大小。”張向東說。
以質量為參照，黑洞可以劃分為四類：比恆星質量小的黑洞，恆星級黑洞（質量與恆星相當或者是其幾倍），中等質量黑洞（恆星質量的上百或上萬倍），超大質量黑洞（恆星質量的上億倍）。這次被拍到的M87星系中心的黑洞，質量是太陽的65億倍。
華工物理與光電學院教授文德華介紹，超大質量黑洞可能存在於每一個星系中，這也是星系維持穩定的原因。“比如在銀河系中心就存在一個巨大的黑洞，它吸引著上億顆恆星，讓其圍繞著銀河系中心運轉。”
“由於距離極為遙遠，雖然黑洞會對附近區域施加極強的引力作用，但它們的存在對人類幾乎沒有影響，公眾不必擔心。”中大物理與天文學院、天琴中心副教授胡一鳴說，當時愛因斯坦僅將黑洞視為一種理論推導，然而後續的觀測指出，黑洞在宇宙中廣泛存在。
“天琴計劃”有助於認識黑洞
“看到照片時感到非常震撼，人類終於真正用眼睛看到這片黑暗。”中大物理與天文學院副教授申榮鋒從事高能天體物理研究，他認為，黑洞照片的拍攝無疑能增添年輕學者和學生的信心和興趣，讓更多人加入到天文與空間科學領域的研究中。“這是全球數百名科學家共同協作多年的成果，他們有的負責實際觀測，有的進行數據處理，還有的負責理論分析。”
申榮鋒所在的團組主要利用傳統的電磁波輻射手段研究黑洞。“電磁波觀測的技術相對成熟。比如空間中某個區域突然變亮，可能是有一個恆星移動到黑洞附近，被引力捕獲、撕碎，殘骸變成了黑洞的‘食物’，從而讓黑洞變亮。”通過觀測恆星被黑洞瓦解的事件，研究黑洞亮度如何隨時間變化，申榮鋒和團組成員試圖找到其與黑洞質量、自旋大小之間的關係。“這種方法可以應用於探測更多中等質量黑洞。觀測更多的事件，人類就能更瞭解黑洞。”
近年來，引力波探測技術讓人類對黑洞有了另一層面的瞭解。以這次被拍到的M87星系黑洞為例，學界認為這種大質量黑洞在其成長過程中經歷過雙黑洞併合的過程，而這種併合會釋放引力波信號，從而被引力波探測器發現。
胡一鳴說：“由中山大學主導的引力波探測‘天琴計劃’，預期在2030年代早期發射三顆高精度無拖曳衛星，形成‘天琴’。初步研究表明，‘天琴’對於大質量黑洞雙星的併合十分靈敏，即使併合發生在可觀測宇宙的邊緣，也可以被探測到，這對未來確定大質量黑洞的起源有重要意義。”
如果在鄰近宇宙發生一次大質量雙黑洞併合，“天琴”有望預測到併合的發生，並結合電磁波觀測手段實現多信使天文學觀測，讓人類在宇宙中看一場既有圖像（電磁波觀測）又有聲音（引力波觀測）的“有聲電影”，從而對黑洞併合過程開展更為深入、全面的研究。
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