南方日报讯 （记者/钟哲）春节期间，电影《流浪地球》激发了社会大众对空间科学的热情。10日，空间科学迎来又一个重大突破：人类终于首次拍到了黑洞的照片。
人类对黑洞的探索经历了哪些阶段？黑洞会对我们的生活带来什么影响？记者采访了中山大学（下称“中大”）、华南理工大学（下称“华工”）的专家学者获悉，中大空间引力波探测“天琴计划”卫星升空并投入使用后，科研人员有望结合引力波与电磁波两种观测手段，在宇宙中看一场大质量黑洞并合的“有声电影”。
黑洞在宇宙中广泛存在
黑洞是基于爱因斯坦广义相对论所推导得出的理论预言。一个世纪前，爱因斯坦提出广义相对论，将引力与时空的弯曲联系起来，而黑洞就是时空被扭曲到极致的产物。当大量质量聚集在一个极小的范围内时，其周围的引力场强度会变得极强，以至于连光都无法逃脱，就形成了黑洞。
“电影《星际穿越》中有一张非常震撼的照片，是因引力波探测获得诺贝尔奖的基普·索恩带领团队耗费一年时间模拟出来的。这也是学界公认的通过理论计算得到的最真实的黑洞图像。”华工物理与光电学院教授张向东介绍，在此之前人类并没有在真正意义上拍摄过黑洞的照片。
一个不会反射光线的物体，怎样才能把它“拍”出来？著名物理学家霍金曾提出一个形象的比喻：在一个晚会中，男生都穿黑衣服，女生穿白衣服，男女两两配对跳舞。当把现场的所有灯都熄灭后，虽然我们依然看不到男生，但由于白衣女生正环绕着男生在转圈，我们就能知道那里有个男生在跳舞。
“同理，黑洞本身不可见，但黑洞周围会环绕着许多物质，物质旋转陷入黑洞时会发光发热（产生电磁辐射），通过观测这些物质运行的轨道就可以推算黑洞的位置和大小。”张向东说。
以质量为参照，黑洞可以划分为四类：比恒星质量小的黑洞，恒星级黑洞（质量与恒星相当或者是其几倍），中等质量黑洞（恒星质量的上百或上万倍），超大质量黑洞（恒星质量的上亿倍）。这次被拍到的M87星系中心的黑洞，质量是太阳的65亿倍。
华工物理与光电学院教授文德华介绍，超大质量黑洞可能存在于每一个星系中，这也是星系维持稳定的原因。“比如在银河系中心就存在一个巨大的黑洞，它吸引着上亿颗恒星，让其围绕着银河系中心运转。”
“由于距离极为遥远，虽然黑洞会对附近区域施加极强的引力作用，但它们的存在对人类几乎没有影响，公众不必担心。”中大物理与天文学院、天琴中心副教授胡一鸣说，当时爱因斯坦仅将黑洞视为一种理论推导，然而后续的观测指出，黑洞在宇宙中广泛存在。
“天琴计划”有助于认识黑洞
“看到照片时感到非常震撼，人类终于真正用眼睛看到这片黑暗。”中大物理与天文学院副教授申荣锋从事高能天体物理研究，他认为，黑洞照片的拍摄无疑能增添年轻学者和学生的信心和兴趣，让更多人加入到天文与空间科学领域的研究中。“这是全球数百名科学家共同协作多年的成果，他们有的负责实际观测，有的进行数据处理，还有的负责理论分析。”
申荣锋所在的团组主要利用传统的电磁波辐射手段研究黑洞。“电磁波观测的技术相对成熟。比如空间中某个区域突然变亮，可能是有一个恒星移动到黑洞附近，被引力捕获、撕碎，残骸变成了黑洞的‘食物’，从而让黑洞变亮。”通过观测恒星被黑洞瓦解的事件，研究黑洞亮度如何随时间变化，申荣锋和团组成员试图找到其与黑洞质量、自旋大小之间的关系。“这种方法可以应用于探测更多中等质量黑洞。观测更多的事件，人类就能更了解黑洞。”
近年来，引力波探测技术让人类对黑洞有了另一层面的了解。以这次被拍到的M87星系黑洞为例，学界认为这种大质量黑洞在其成长过程中经历过双黑洞并合的过程，而这种并合会释放引力波信号，从而被引力波探测器发现。
胡一鸣说：“由中山大学主导的引力波探测‘天琴计划’，预期在2030年代早期发射三颗高精度无拖曳卫星，形成‘天琴’。初步研究表明，‘天琴’对于大质量黑洞双星的并合十分灵敏，即使并合发生在可观测宇宙的边缘，也可以被探测到，这对未来确定大质量黑洞的起源有重要意义。”
如果在邻近宇宙发生一次大质量双黑洞并合，“天琴”有望预测到并合的发生，并结合电磁波观测手段实现多信使天文学观测，让人类在宇宙中看一场既有图像（电磁波观测）又有声音（引力波观测）的“有声电影”，从而对黑洞并合过程开展更为深入、全面的研究。
閱讀更多 南方日報 的文章
