黑洞照片背後還有哪些疑問?專訪國家天文臺宇宙暗物質暗能量組首席...

2021-01-14 封面新聞

封面新聞記者 柳青

北京時間4月10日晚9點，全球首張黑洞影像公布。

黑洞被譽為宇宙中最神秘天體——自身不發光，難以直接探測，密度大到連光都無法逃逸。而在10晚間公布的照片中，一個全黑背景下的橙紅色的光環呈現在世人面前，這就是黑洞的樣子嗎？

遠在英國參加平方千米陣（Square Kilometre Array SKA）學術會議的中國科學院國家天文臺研究員陳學雷在黑洞照片發布後接受了封面新聞採訪。在他看來，這張顯得有些模糊的照片已十分出色了，「去年項目組的科學家們根據理論預測，模擬了黑洞照片，實際觀測比模擬要複雜得多，而公布的這張跟實驗室裡的模擬照片已十分接近，我覺得十分理想了，證明這項技術是很有價值的。」

項目科學家去年模擬的黑洞照片（陳學雷提供）

據了解，第一個被人類捕捉到影像的黑洞位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環。

陳學雷是國家天文臺宇宙暗物質暗能量組首席科學家，他解釋說，照片中心「黑洞洞一片」應該叫黑洞影子，實際的黑洞比這個影子小一些。「照片上橙紅色是用來代表亮度的，並非實際顏色。而背景中看上去黑色區域也並不代表沒有物質，只是亮度不夠而已。」

人類關注黑洞的歷史可追溯到18世紀末。1915年，愛因斯坦提出真正「預見」黑洞的廣義相對論。然而，就連愛因斯坦也曾不相信黑洞真實存在。此後，多位科學家確實利用廣義相對論計算得出，在宇宙中存在這樣的天體。20世紀60年代，美國天體物理學家約翰·惠勒首次將「黑洞」作為一個科學術語提出。

上一次人類「聽」到黑洞，是在2015年，美國雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）發現了兩個黑洞合併的引力波信號。2017年，瑞典皇家科學院宣布將諾貝爾物理學獎授予美國科學家 Rainer Weiss、Kip S. Thorne 和 Barry C. Barish，用以表彰他們在引力波研究方面的貢獻。

中國科學院國家天文臺研究員、宇宙暗物質暗能量組首席科學家、星系宇宙學部副主任陳學雷。

國家天文臺行星科學家鄭永春介紹說，「以前，我們只能探測到引力波，這次就可以看到引力波的源頭——黑洞的樣子。」

參與此次國際合作的中方科學家、中國科學院上海天文臺臺長沈志強在4月10日的發布現場表示，「這是人類獲得關於黑洞的第一個直接視覺證據，證實了愛因斯坦廣義相對論在極端條件下仍然成立。」

電影《星際穿越》中對黑洞的呈現構成了不少普通人對這種神秘天體的第一印象，但此次發布的照片和電影中的呈現有著明顯差別，是電影錯了嗎？陳學雷解釋說，就像石頭有很多種，黑洞是千差萬別的，「電影裡只是選擇了一種特定參數展示，真實的情況也往往更加複雜。」

在黑洞周圍，光線不能逃脫的臨界範圍被稱為黑洞的半徑或「事件視界」。為了捕捉到「看不見」的黑洞，2017年的4月5日到14日之間，來自全球30多個研究所的科學家們利用分布於全球不同地區的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡。這個虛擬的望遠鏡網絡被稱為「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope， EHT），其有效口徑尺寸達到地球直徑大小。

參與觀測的中方科學家、上海天文臺研究員路如森10日解釋說，「這些望遠鏡的解析度相當於能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。」

陳學雷對封面新聞表示，即使如此高解析度的望遠鏡，得到影響依然是模糊的。但這就是大自然，這也意味著我們需要把技術進一步提升。」

黑洞照片。圖片來源：事件視界望遠鏡合作組織

記者了解到，組成EHT望遠鏡分別是：南極望遠鏡（South Pole Telescope）；位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA）；位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（Atacama Pathfinder Experiment）；墨西哥的大型毫米波望遠鏡（Large Millimeter Telescope）；位於美國亞利桑那州的（Submillimeter Telescope）；位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；位於夏威夷的亞毫米波望遠鏡（Submillimeter Array）；位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。

JCMT望遠鏡位於美國夏威夷州海拔4092米的Mauna Kea山頂，是目前工作在亞毫米波段的最先進的望遠鏡之一，它可以用來研究太陽系、星際塵埃和氣體以及遙遠的星系等的科學問題。JCMT所裝備的SCUBA 2亞毫米波成像陣列探測器是國際領先的連續譜成像設備。隨著2014年底東亞天文臺（EAO）成立，中國作為EAO的成員機構之一正式參與接管JCMT的科學運行管理。從2015年2月起，該望遠鏡將由東亞天文臺管理運行。作為EAO成員，我國將在今後5年擁有JCMT的部分觀測時間。

陳學雷表示，天文學科是一個國際性很強的領域，「以前的問題是，自己的設備比較少，整體科學技術水平相對世界上最強的國家，還有差距。現在我們正在趕上，但需要一個過程。」

他表示，包括目前在建的最大綜合孔徑射電望遠鏡平方千米陣（Square Kilometre Array，縮寫為SKA）項目在內，中國在很多天文觀測和科研領域參與了國際合作。「現在已有了FAST（500米口徑球面射電望遠鏡），我們一定要在這個基礎上，不斷提升自己，更加積極參與國際競爭與合作。」

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    宇宙是個廣袤無垠的空間，充斥在這個空間中的主要是可見物質、暗物質和暗能量三種事物，其中可見物質大致佔5%，暗物質大約佔25%，而暗能量佔到了大約69%左右（也有說法認為中微子、光子、黑洞等佔約1%），可見暗能量在宇宙中起到了主導作用。
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  • 論引力場、宇宙、暗能量、暗物質
    暗物質是什麼？暗能量是什麼？大爆炸宇宙之外，宇宙大爆炸之前是什麼？關鍵詞：移動波；宇宙；暗能量；暗物質；速度宇宙加速膨脹的原因1920年代，哈勃發現了宇宙膨脹，宇宙不是靜態的、一成不變的，它浩瀚的空間每分每秒都在擴張，星系之間彼此遠離。宇宙膨脹是20世紀偉大的科學發現之一，直接導致了大爆炸宇宙學的學說。
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    並且，科學家探索發現，引力在宇宙的早期起到的作用非常大，可是隨著宇宙膨脹的不斷進步，引力對於宇宙的掌控越來越小。有可能在久遠的未來，星系和星系之間將失去引力的掌控，那個時候，宇宙會崩潰嗎？答案是不會。原因就是還有另外一個掌控者的存在，而這個掌控者相信朋友們也聽說過，它就是現在科學家一直在探索尋找的暗能量。
  • 暗物質和暗能量理論過時了嗎?
    另外，許多其他形式的物質，例如行星、恆星殘骸、失敗的恆星、氣體、塵埃、等離子，甚至黑洞都已被發現。我們正在順利地進行各種「宇宙普查」，在這裡我們可以將宇宙的所有物質和能量以及組成它的東西加起來。除了物質之外，我們還發現了少量反物質。在我們可見的宇宙中，沒有反物質構成的恆星或星系，但是有反物質射流從黑洞和中子星等高能自然引擎流走。
  • 宇宙中的暗物質和暗能量是什麼
    要知道什麼是暗能量？首先要搞清楚什麼是暗物質.科學家認為暗物質就是不與現觀察到、發現的物質發生相互作用，但是卻可以觀察引力來判斷他們的存在，就是說暗物質其實是與引力相互作用的，這是為什麼？在相對論的框架裡還是離不開物質的質量。不管引力是因為物質之間的相互作用還是時空彎曲，都離不開物質的基礎屬性"質量.根據科學家的預測，暗物質的最大特點就是不與現有觀察到、發現到的物質產生相互作用，眾所周知，我們人類發現或者觀察到的物質都具備質量的特點，難道暗物質沒有質量嗎？沒有質量的物質就是暗物質嗎？根據愛因斯坦的質能方程，暗能量從何而來。