扬大物理教授为您解读黑洞 看黑洞的轮廓就像皮影戏

2019年04月 15日 17:56 | 来源: 扬州晚报-扬州网 | 扬州网官方微博

4月10日,整个物理学界陷入一场集体狂欢——“事件视界望远镜”(EHT)拍摄的首张黑洞照片终于面世,这张照片是黑洞存在的直接证据,从而拉开了黑洞天文学新时代的序幕。

昨天,记者采访到扬州大学物理科学与技术学院引力与宇宙学研究中心教授王元君,讲述人类首张黑洞照片背后的故事。

看黑洞的轮廓就像皮影戏

“这个黑洞位于室女座的M87星系中心,距离我们约5500万光年,其质量为太阳的65亿倍。由于距离遥远,即使结合了地球上多台无线电波望远镜,采用EHT的先进技术也只能提供模糊的图像,但这张图片的发现具有重大意义,它为人类对黑洞的进一步探索提供了一块敲门砖。”王元君教授对“黑洞”作出解读。

王元君表示,中学时代学过,光是沿直线传播,但这是基于平直时空,如果在背景时空本身就是弯曲的,光走的实际上是该时空中“最直的”曲线。换句话说,引力场会使光线弯曲,光线路径的弯曲在黑洞周围尤其明显。你需要了解一个概念——“事件视界”,它指的是围绕黑洞的一个时空边界,任何物质、甚至光线一旦越过这个边界,将永远无法返回,连宇宙中最快的光速也逃不出黑洞的视界。

“在黑洞的附近存在一个不稳定的光子轨道,一束光可以在这个位置绕着黑洞转圈。对于带有质量的气体等物质,它们也可以绕着黑洞飞快地转,形成一个盘状物,这个由于物质环绕在黑洞周围而形成的一个盘状结构叫吸积盘。”王元君告诉记者,吸积盘内的物质围绕黑洞高速旋转,相互之间由于摩擦而发出炽热的光芒,包括从无线电波到可见光、到X射线波段的连续辐射。吸积盘处于黑洞“视界”的外部,因此发出的辐射可以逃逸到远处被人们探测到。所以,这次拍摄到的不是黑洞本身,而是利用其边界上的物质发出的辐射勾勒出来的黑洞的轮廓,就像看皮影戏一样。

那么EHT所看见的黑影究竟是黑洞的视界还是光子轨道呢?王元君解释,由于光的轨迹不再是直线,这个问题的答案并不直观。如果,从右边向黑洞发射一束束的光,那么直接瞄准黑洞中心的光毫无疑问会进入黑洞。但是由于引力场弯曲了时空,所以经过黑洞上方的光也有可能会掉入黑洞中。

实际上当入射光与黑洞中心的入射距离达到一定程度时,该道光将进入光子轨道中。如果入射距离小于该临界值,则入射光都会掉入黑洞中;反之如果入射距离大于该值就会逃脱。

黑洞研究第二个黄金时代

“尽管照片不如很多科幻电影里的清晰,但这次成像除了确认黑洞存在,也对爱因斯坦的广义相对论作出了验证。”王元君表示,在此次视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中,科学家们发现,所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致,令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。

王元君讲述了关于“黑洞”的研究历程:爱因斯坦提出广义相对论后不久,就在该理论的方程中发现了黑洞解,但是早期研究的都是数学性质。到了1960年代霍金等人发展出了黑洞的热力学,发现黑洞不仅会通过量子效应辐射出粒子而渐渐蒸发(霍金辐射),其视界大小也是热力学熵的体现。这个时期的发展之多颠覆了我们对黑洞的认识,因此被称为黑洞的黄金时期。

之后,随着科技越来越发达,天文观测渐渐提供了黑洞存在的间接证据。2015年,爱因斯坦广义相对论发表后100年,人类发现了2个黑洞合并时产生的时空中的涟漪——引力波。

“现在通过另一种技术取得了黑洞的第一张照片,其结果与引力波相辅相成,显示广义相对论的预测是符合观测的。当然广义相对论可能需要加以修正,去解释暗能量等宇宙学方面的未解现象。”王元君表示,随着日后灵敏度的提高与更多观测计划的加入、各种观测手段的结合,将带领我们进入黑洞的第二个黄金时代:一个以观测为主导的数据时代,从而局限或排除一些修正引力模型。

扬大教授 为何关注“黑洞”

王元君教授为何会关注“黑洞”?

原来,扬州大学自2017年成立引力与宇宙学研究中心,一开始就把研究焦点集中在引力理论、天体物理、宇宙学等国际最基本、最前沿的科学问题。这个研究目标的定位和国内一流大学形成互补,有自身鲜明的特点与发展优势。目前中心的研究方向之一就是黑洞物理,包括引力波、光子轨道、霍金辐射等各种课题。

王教授告诉记者,一项通过探测21厘米谱线研究重子声子震荡的地面射电望远镜计划正在实施,它能够协助物理与天文学家进一步了解宇宙早期的状况,包括现在占宇宙70%的神秘暗能量的本质。除了加入国际合作BINGO宇宙学项目,研究中心也成为金砖五国引力、天体物理与宇宙学协会分中心。中心也将积极加入探测与研究引力波的国家计划,对黑洞物理做进一步的探索。

2018年,该中心获得宇宙学国家重点项目。引力与宇宙学研究中心承担国家级科研项目7项,在国际一流物理刊物发表论文近70篇,在国际上已经有一定知名度,2018年承办亚太地区最大型的宇宙学会议CosPA,今年5月将邀请加拿大皇家科学院院士Don Page教授前来做学术报告。

通讯员许雯婷

记者乔云


责任编辑:煜婕

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