首個黑洞「定妝照」是怎麼拍出來的？華工教授為您揭開黑洞的秘密
金羊網 2019-04-11
金羊網 記者張璐瑤 通訊員華軒
圖片來源：華南理工大學
北京時間4月10日21點整，比利時布魯塞爾、智利聖地牙哥、中國上海和臺北、日本東京、美國華盛頓等全球六地同步召開新聞發布會，發布了人類首張黑洞照片。
圖片來源：事件視界望遠鏡合作組織
照片中是「黑洞」還是「煤球」？就此，文科生們和理科生們展開了轟轟烈烈的討（想）論（象）。
實際上，黑洞，作為宇宙中的當紅「大咖」，天文學界、物理學界的「寵兒」?自20世紀開始，人類對黑洞的探秘就從未停止過。
那麼，黑洞究竟是什麼？黑洞是怎麼誕生的？黑洞與暗物質是一回事嗎？如何給黑洞拍照片？人類研究黑洞的意義何在？
對此，我們請來華南理工大學物理與光電學院最熟悉黑洞的兩位專家，一起揭開黑洞照片背後的秘密。
【專家介紹】
文德華教授
研究方向：主要從事核天體物理及緻密物質物態的研究，特別是對中子星等緻密天體的性質和結構有較深入的研究。
張向東教授
研究方向：量子引力，緻密星與黑洞，宇宙學
【答疑解惑】
Q1：什麼是黑洞？
張向東：黑洞，是指任何東西，甚至是我們已知運動速度最快的光線都不能逃脫其引力控制的區域。我們能夠看到一個物體的顏色，是因為它能反射光，而黑洞把光線都吸收了，於是就形成了這個宇宙空間最純粹的「黑」。
Q2：黑洞是如何產生的？
張向東：黑洞之形成，關鍵在於其強大的引力。對於地球上的物體，當質量足夠輕、速度足夠快時，就可以擺脫引力逃離地球。而當某種星體的引力強大到，無論發射任何物體甚至是光線也無法逃逸時，黑洞就產生了。
比如恆星這種大質量的天體，在其生命的晚期由於引力作用會發生塌縮。那麼一顆質量和太陽相同的恆星，當其坍縮到半徑3公裡左右的時候，引力就會變得極其強大，形成使得光線都無法逃脫的黑洞。
Q3：黑洞=超大質量、小體積的物體？
文德華：黑洞不能簡單理解為質量特別大、密度很高的物體，它也可能質量很小或密度很低。可以想像一下，一個外力把地球壓縮到玻璃球一般大小，雖然質量遠遠小於恆星，但引力卻非常大，也有可能形成黑洞。
因此以質量為參照，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）。
超大質量黑洞可能存在於每一個星系中，這也是為什麼我們銀河系等星系能形成如此穩定的系統，那是因為在銀河系中心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。
Q4：黑洞和暗物質是同一種東西嗎？
文德華：不是一回事。黑洞是天體，而暗物質是一種物質的總稱。兩者都不會反射光線，無法用電磁波（光）無法探測到它們。但我們可以根據暗物質扭曲時空而造成的「引力透鏡」效應推斷出暗物質的存在。
Q5：在此之前，人們真的沒有拍到過黑洞的照片嗎？
張向東：在此之前，人類並沒有在真正意義上拍攝過黑洞的照片，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。
因此，此次首張真實拍攝到的黑洞照片才能引起如此大的關注。
Q6：但是連光線都無法逃逸黑洞，那又如何給它拍照片？
張向東：霍金曾提出過一個非常形象的比喻，在一個晚會上，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，我們要如何找到男生所在呢？這時由於穿白衣的女生環繞著男生在轉圈，這時候你就知道那裡有個男生在跳舞。
給黑洞拍照的原理正是如此。黑洞本身不可見，但藉助圍繞黑洞周邊的吸積盤效應就可能被觀測到。在強大的引力作用下，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。
Q7：這一次全球六地合作拍攝黑洞照片，難點在什麼地方？
文德華：類似於拍照時使用的單反鏡頭，其口徑越大，解析度越高。本次觀測超大質量的黑洞主要是聯合全球多個射電天文臺的觀測儀器，構建一個口徑等同於地球直徑的「虛擬」望遠鏡，藉助這個超大望遠鏡直接觀測黑洞邊緣的圖像，這在之前是很難做到的。
在各地獲取完數據後，最後做等效的數據分析以還原完整的黑洞圖像，也是一大難點。
Q8：人類研究黑洞的意義何在？
文德華、張向東：黑洞隱含了物理學最基礎知識之一的引力，儘管目前廣義相對論作為引力研究中一個較好的理論，但它還不是終極理論。而黑洞相當於為我們研究引力提供了一個天然的「實驗室」。
從理論和實踐的角度來看，黑洞其實是一個綜合體，它囊括了基本已知的所有物理學的知識。比如黑洞上面引力場足夠強，甚至可以宏觀尺度上體現出其量子效應。再比如黑洞熵公式與引力常數有關，綜合了引力物理知識；與光速有關，綜合了狹義相對論知識；跟玻爾茲曼常數有關，又綜合了統計力學。
特別重要的是，去年諾貝爾獎授予了引力波的發現者，引力波的研究是下一代物理學的重要研究方向之一。而有關黑洞領域的發展對基礎物理和引力波的研究都有深遠影響。
Q9：能否介紹下您目前相關的研究成果？
張向東：目前對於黑洞的研究，尚屬於我校理論物理專業教師在引力學領域的一個細分研究方向。包括我和文老師都是主要做理論物理研究，其中涉及一些天文學領域的研究。
前段時間，我帶領學生團隊做了一些相關研究工作。由於目前世界上加速器建造成本越來越高，我們希望在理論層面探尋其他可能的加速器方案，提出可以嘗試將黑洞作為一種可能的加速器對粒子進行加速的設想。我們最新的研究，是讓兩個粒子在黑洞附近碰撞，使得一個粒子掉進去，另外一個粒子逃逸出來，當滿足一定的條件時，逃逸出來的粒子可以獲得比原來兩個粒子更高的能量，也就意味著這個粒子被加速了。所以我們認為，這種黑洞可以作為真實粒子的加速器。
知多D
想了解更多黑洞的奧秘？記者了解到，華南理工大學還專門開設了相關選修課程和社團。
比如，面向全校學生，文德華教授開設了《天體與宇宙》通識課程。課程定位於為學生介紹有關天文學、物理學的科普性、基礎性知識。其中會涉及黑洞的產生、原理等，以培養學生興趣為主。
面向物理與光電學院三四年級本科生和研究生，張向東教授開設了《廣義相對論》專業課程，主要介紹微分幾何與愛因斯坦的廣義相對論，其中會涉及一些黑洞和宇宙學的相關專業知識。
同學們還可以加入學生社團ALL STAR天文協會、科幻協會，進行天文觀測、天文科普、科幻閱讀分享與寫作交流。
其中，ALL STAR天文協會還擁有暱稱為「小黑」的六寸牛頓反射式望遠鏡，屬於愛好者之中很受歡迎的入門級天文望遠鏡，可見的極限星等大概是10-11等【肉眼是6等】，能夠觀測大部分受歡迎的目視天體目標。社團不定期組織觀星活動，即將到來的五一假期還將帶隊參觀深圳的西湧天文臺。
編輯：白茶