天文學家捕獲的首張黑洞照片 事件視界望遠鏡合作組織供圖
編者按
2019年，我們見證了不平凡的一年，部分中國學者在某些領域已做出了引領性的工作；有的科技話題已深入人心，被公眾廣泛討論……科學與技術的各個領域可謂異彩紛呈。為了讓讀者對此有清晰的了解，本報特別邀請各領域專家梳理並點評2019年科技發展的亮點，並展望令人期待的2020年。
■本報記者 倪思潔
黑洞照片、黑洞之王、黑洞系統高能量準周期振蕩……2019年，物理領域迎來了一場黑洞研究的狂歡，這是偶然，也是必然，它讓人們有了圍觀宇宙奧秘的機會，也讓曾經的諸多猜想有了被驗證的可能。未來，它仍是物理領域的黃金熱點。
2019年4月，物理領域以一張照片轟動世界。
在這張酷似「甜甜圈」的照片上，人類首次看到了黑洞的樣貌。5500萬光年外，遙遠的M87星系中央，質量約為太陽65億倍的這個黑洞，引發世界狂歡。
黑洞照片的熱度尚未褪去，11月，中國天文學家依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞。與此同時，「慧眼」衛星科研團隊發現黑洞系統中迄今最高能量的準周期振蕩現象，開啟了研究黑洞系統的新窗口……
從年頭到年尾，看似「甜甜圈」的黑洞不僅不「黑」，反倒成了2019年物理領域最熱門的「亮」點。
看，這就是黑洞！
2017年4月，從赤道到兩極，6個不同地點，8座射電望遠鏡聯合觀測，再加上為期2年的數據分析，一張模糊卻珍貴的黑洞照片終於在2019年4月10日21點整被公之於世。
照片上，明亮的環狀結構是吸積盤中黑洞周圍的氣體和塵埃，由於這些氣體和塵埃有數十億攝氏度，因此發出了明亮的無線電波；中間的黑色部分，便是黑洞的影子了。有人說黑洞像個「甜甜圈」，也有人調侃黑洞就是燒著的蜂窩煤洞。
不過，在科學家心中，這張照片驗證了愛因斯坦引力理論對黑洞的預測，即由於光線無法掙脫黑洞的引力，在黑洞周圍，存在一個由光線構成、環繞中心黑色區域旋轉的亮環。
11月，人類首張黑洞照片的幕後團隊——事件視界望遠鏡（EHT）項目組，獲得2020年科學突破獎——基礎物理學獎。EHT項目負責人謝普·多爾曼在接受媒體採訪時表示，未來這個項目組有兩項工作，「一是能拍張更好的黑洞照片，二是未來10年裡能拍到黑洞視頻」。
恆星級黑洞之王
黑洞照片公布後半年，北京時間11月28日凌晨，《自然》雜誌發表了中國科學院國家天文臺的另一項重大發現——發現迄今為止質量最大的恆星級黑洞。
一般來說，恆星級黑洞是由大質量恆星死亡後形成的，過去幾十年，人類只發現了大概20個恆星級黑洞，質量均在3至20倍太陽質量之間。
2016年初，在浩瀚星海中，科學家盯上了一個表現異常的雙星系統，在這個雙星系統中，「走路拉風」的B型星表現出規律的周期性運動和不同尋常的光譜特徵。這其中會不會包含一顆深藏不露的黑洞？科學家懷疑。此後，通過LAMOST的觀測數據，研討人員計算出該雙星系統中果然存在一個約70倍太陽質量的黑洞。
恆星級黑洞，70倍太陽質量，這一數值遠遠超出理論預言的質量上限。美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）臺長大衛·雷茨評論稱，這將迫使天文學家改寫恆星級黑洞的形成模型。
論文第一作者、中科院國家天文臺副臺長、研究員劉繼峰表示，科研團隊將開展「黑洞獵手」計劃，預計在5年內發現並測量近百個黑洞，並最終描畫出一幅黑洞群像。
「慧眼」開啟新窗口
10月26日，「慧眼」衛星發布科研成果。科學家利用「慧眼」衛星對X射線雙星系列的觀測，發現了黑洞和中子星附近的物質發出的高能X射線存在準周期變化。
準周期振蕩是黑洞X射線雙星系統的主要光變特徵，這一觀測結果強烈支持了準周期振蕩信號的非熱輻射起源，說明黑洞臨近區域以非熱高能物理過程為主。
「『慧眼』衛星發現了黑洞系統中迄今最高能量的準周期振蕩現象，開啟了研究黑洞系統的新窗口。」「慧眼」衛星系統有效載荷總設計師、中科院高能物理研究所研究員盧方軍在新聞發布會上說。
「慧眼」衛星首席科學家、中科院高能物理研究所研究員張雙南告訴《中國科學報》，目前，「慧眼」衛星研究團隊將利用其在高能X射線領域的觀測優勢，繼續這個方向的研究，目前，已經產出了比此前更好的成果，並將於2020年年初對外發布。
此外，張雙南表示，「慧眼」衛星的後繼者——「增強型X射線時變與偏振空間天文臺」（簡稱eXTP）正處於方案設計階段，目前已落實的經費可以支撐項目走完方案設計階段和隨後初樣研製的第一階段，預計將於2027年發射。
是偶然也是必然
1915年，36歲的愛因斯坦向普魯士科學院提交了完整的廣義相對論方程。幾個月後，物理學家卡爾什瓦希得到了愛因斯坦方程解，成為現代意義上對於黑洞的第一次描述。
過去的100年裡，「黑洞」寄託著人類對宇宙的無限遐想。以《星際穿越》為代表的眾多科幻作品直觀地展示著這種質量巨大、引力極強、連光都無法逃逸的天體。
1963年，紐西蘭數學家科爾得到另外一個精確解，這一次黑洞是轉動的。1964年，美國科學家發射探空火箭，第一次發現了黑洞的蹤跡。
「理論和觀測的雙重突破，一下子吸引了大批天文學家、物理學家投入這個領域，所以在接下來的二三十年，關於黑洞的研究進入了黃金時期。」中科院國家天文臺研究員苟利軍說。
「今年有這麼多有關黑洞的成果出現，可能是一種偶然，但黑洞研究一直是物理領域的熱點。」中國科學院理論物理所研究員、中國科學院院士蔡榮根告訴《中國科學報》。
在苟利軍看來，今年的這些黑洞研究成果，都是觀測技術和計算能力積累到一定程度後的必然結果。
張雙南介紹，國際上，黑洞研究動用了幾乎所有天文觀測手段，呈現多波段、多信使的特徵，多種波段觀測手段包括射電觀測、光學觀測、X射線觀測、伽馬射線觀測等，多種信使觀測手段包括觀測電磁波、引力波、中微子等。
黃金時代仍將繼續
「一黑兩暗三起源」是當前宇宙物理學的熱點研究課題，其中「一黑」指的就是黑洞。
受訪專家預計，在可預期的未來，黑洞仍將是天體物理和理論物理領域關注和研究的熱點。
張雙南介紹，目前國內部署了一批有關黑洞研究的技術設備，如「引力波暴高能電磁對應體全天監測器」（GECAM）衛星、中法合作的太空望遠鏡項目「天基多波段空間變源監視器」（SVOM）衛星、「愛因斯坦探針」（EP）衛星，以及高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）、「平方公裡陣列望遠鏡」（SKA）等。國際上也部署了一批有競爭力的研究項目，如歐空局的「雅典娜」X射線天文望遠鏡、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）等。
「未來，我們將看到關於黑洞更豐富的細節，更深入地了解黑洞的基本特徵，黑洞內部的物質相互作用，黑洞周圍的氣體運動，以及噴流的產生和集束機制，並完善我們對於星系演化的認知與理解。」苟利軍說。
對於理論物理學家來說，黑洞就像他們的理論實驗室一樣。「黑洞是引力非常強的天體，可以用來檢驗廣義相對論的正確性，黑洞外面是否滿足廣義相對論的預言；甚至檢驗量子引力效應。」蔡榮根說。
斯蒂文·霍金在上世紀70年代發現黑洞不是黑的，而是會向外發出熱輻射。這一輻射現象被稱為霍金輻射，是一種量子引力效應。此後，黑洞物理便成為理論物理學家關注的重要領域之一。
「量子力學和廣義相對論，是目前人類描述微觀世界和宏觀世界的兩套理論，而黑洞物理是量子力學和廣義相對論的交匯處，也是通向量子引力理論的窗口。」蔡榮根說，「建立一個自洽的量子引力理論，理解引力的本質是很多理論物理學家畢生的追求。」
「目前，黑洞物理研究剛剛被打開，數據精度還不夠高。」蔡榮根預計，未來，將有越來越多的黑洞被觀測到，觀測數據精度也會越來越高，可以研究的相關科學問題也會越來越多。
《中國科學報》 (2019-12-20 第1版 要聞)