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首張銀河系中心黑洞照片背後:科學家耗費數十年研究

袁峰在科普講座上向公眾解説宇宙“甜甜圈”。受訪者供圖

中國科學院上海天文臺研究員袁峰算是和“甜甜圈”結下一生的緣分了——5月16日,由他參與的事件視界望遠鏡項目(EHT)拍攝到了首張銀河系中心超大品質黑洞“人馬座A*”的第一張寫真照片——一個巨大的宇宙“甜甜圈”。

這張寫真,來自2.7萬光年之外的銀河系中心。中國大陸有16位研究人員參與了這項工作,袁峰是其中之一。

從1994年攻讀天體物理學博士至今,袁峰已經在與“甜甜圈”們打交道的路上堅持了28年。5月的這張照片,其實是EHT團隊第二次拍到的黑洞寫真。第一次發佈黑洞照片是在2019年4月。那時,EHT組織宣佈得到了第一張黑洞M87的照片。該照片的中心是一個近似圓形的黑暗區域,該區域被一個發光的亮環保衛,酷似一個金色的“甜甜圈”。

很多人不明白,既然科學家早在2019年就已經拍到了黑洞寫真,為何還要在2022年再拍一次呢?科學家想要證明什麼問題呢?

袁峰告訴中青報·中青網記者,實際上,一張張“甜甜圈”黑洞寫真,看似雷同,但它們都有其在不同假設環境中的重要價值。

“我們拍到的照片,準確來説,不是黑洞本身,而是黑洞周圍的吸積流。這些吸積流被一個強大的中心引力吸引,而這個引力就來自黑洞。”袁峰説,“甜甜圈”外圈那個閃閃發光的金色圓環,實際上就是吸積流,吸積流氣體在黑洞引力作用下向黑洞下落,下落過程中它們變熱、進而發出強烈的輻射,照片中看到的明亮光環,就是這些非常熱的氣體發出的輻射。

天體物理學家納拉揚等人的研究發現,宇宙中存在兩種吸積流,一種是“正常”吸積流,另一種是“瘋狂”吸積流,前者磁場較弱,後者磁場很強。除了磁場外,兩種吸積流其他方面也存在很大不同,而且還決定了黑洞噴流的形成。

袁峰告訴記者,黑洞寫真拍攝的一個重要價值在於其在強引力場環境下“檢驗了愛因斯坦的廣義相對論”。廣義相對論是描述物質間引力相互作用的理論,由阿爾伯特·愛因斯坦于1915年完成,1916年正式發表。這一理論首次把引力場等效成時空的彎曲。

他介紹,100年前也有科學家對廣義相對論進行過檢驗,但當時都是在弱引力場環境下進行的檢驗,而在弱場下,廣義相對論與牛頓力學兩種理論的差別不大。只有在強引力場的環境下,兩者才能出現較為明顯的差別。

黑洞,正是那個用來檢驗廣義相對論的、合適的強引力場。

“廣義相對論和量子力學理論是目前物理學界最牛的理論,是現代物理學最重要的基礎。”袁峰説,以人們日常使用的衛星導航系統為例,它也需要依靠廣義相對論,工程人員在這一理論基礎上,把“導航”變成了現實,“舉個例子,用牛頓力學理論做導航的話,誤差可能是1-2公里,而要精準定位,一定要依靠廣義相對論。”

如今科學家拍攝到的黑洞照片,與基於100多年前的廣義相對論計算出來的“黑洞模型照片”是相符合的,説明廣義相對論通過了這次檢驗。

袁峰不是EHT項目中的“拍照人”,而是該項目中解釋“為什麼拍照”的理論研究者之一。

“吸積流被吸進去的過程中,産生了很多有趣的現象。”他介紹,黑洞本身不會發光,要找到黑洞,最重要的就是找到其周圍的吸積流氣體,“根據我們的計算預測,真正的黑洞比這幅‘甜甜圈’圖片中的黑色部分要小一些。”

袁峰所説的“計算”,是求解一個複雜的黑洞吸積流方程組。這個方程的複雜程度,遠超出一般人的想像。這個方程組從20世紀60年代開始就被科學家關注,每解出這個方程的一小步,都值得發表一篇高水準學術論文。20世紀90年代,袁峰在哈佛大學的博士後導師納拉揚發現了該方程的一個創新性解,為人們理解宇宙中的黑洞邁出了重要一步,他本人因此當選美國科學院院士。

“我當時寫了一篇還算不錯的論文,在一次南韓舉辦的國際會議上作了報告。”袁峰告訴記者,“導師後來告訴我,那次聽到我的報告,就想好要給我留一個博士後位子了。”

2002年到哈佛大學報到後,負責接待的天文係秘書在見到袁峰後説:“我早就想見到你了!有幾百人申請了教授的博士後位置,我想知道他把這個位置留給了一個什麼樣的人。”

出乎這位知名教授意料的是,10年後的2012年,他最青睞的博士後袁峰通過理論分析和大規模數值模擬,首次論證了吸積流中確實存在很強的外流,從而推翻了他在1999年提出的著名的吸積流“對流”理論。直到2014年,納拉楊才在與袁峰的多次探討中,接受了他的最新研究成果。

2005年,有著德國馬普射電天文研究所、美國哈佛大學和普渡大學博士後工作經歷的袁峰,決定回國。“就是喜歡中國的文化和環境,國外的環境再好也不是為中國人設計的,在那裏沒有歸屬感和認同感。”袁峰説。

這種歸屬感和認同感,就包括向中國大眾科普天文知識、天體物理知識。

“全國只有十幾所大學有天文係,而美國排名前100的大學,幾乎家家都有天文係。這個看似無用的學科,卻是最重要的基礎學科之一。我想在更多學生心目中種下仰望星辰大海的種子。”袁峰説,我國快速發展至今,是時候要加強各個學科的基礎研究了,“基礎研究對國家長遠發展意義重大。”

他也希望這張漂亮的“甜甜圈”照片,能成為青少年朋友們“遵循興趣、保持好奇心”的“誘餌”,“希望我們的孩子們未來選擇學習、工作方向時,都能遵循自己原本的興趣,保持對大自然的好奇。”

之所以選擇天體物理,也是袁峰本人的興趣所在。讀碩士期間,他曾一度從理論物理專業換到量子化學專業,但3年讀研時間裏,他發現自己對廣義相對論的興趣與日俱增,“我覺得廣義相對論很優美,很喜歡,所以我報考了中科大的天體物理專業博士,從此一直在研究天體物理。”