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未来科学大奖周|沈志强:看见黑洞

  新浪科技讯 11月17日消息,2019未来科学大奖周于11月13-17日举行,作为全球最负盛名的科学类奖项活动之一,今年未来论坛着力打造为期一周的大奖周系列活动,旨在以更高的水准打造2019年度国际性科学盛宴。

  在2019 未来科学大奖高峰论坛上,中国科学院上海天文台台长沈志强在论坛上发表了题为:“看见黑洞”的演讲。

  以下为演讲全文:

  各位朋友早上好!今天我给大家报告的题目叫“看见黑洞”。从这个题目看有两个关键词,一个是“黑洞”,一个是“看见”。先跟大家说一下黑洞,这里显示的黑洞图片大家可能都已看到过,据说到现在全球有45亿人看到过这张照片。什么是黑洞?很简单,黑洞它是没有边界,这里画的只是一种示意,实际上这个是事件视界,当然黑洞里面更是看不到因为没有光线可以从里面出来,所以是漆黑一片。如果你靠的太近,你就“掉”进去永远出不来了,这是一个非常形象化的黑洞的表示。当然我们人类跑得再快也有把你束缚住的地方。

  想象在我们地球上是什么把我们大家拽着,是地球万有引力。我们知道把火箭摆脱地球引力的话,要每秒11.2公里的速度才能逃离地球。太阳系八大行星上的逃逸速度各不相同,最大的是木星上大概要将近60公里每秒,这在我们人类想象中是很快的速度。但是实际上我们知道所有现在物理世界传播或者运动最快的速度是光的速度,30万公里每秒。它是什么概念,2秒钟就能从月球往返一次。用简单的牛顿动力学可以得到逃离速度,当它的动能和势能达到平衡,当然如果势能更大就跑不出去了。进一步设想如果速度达到光速你也逃不出它的引力会是什么样的情形?

  这是1915年,大概100年以前爱因斯坦提出的概念,他把我们的时空跟我们的物质和能量有机地统一在一起,实际上就像我们现在时空每个人都是联系在一块儿,所以你可以看到物质与能量告诉你时空该怎么弯曲,而时空的弯曲告诉你物质怎么运动,这是广义相对论的直接联系。1915年广义相对论出来后,1916年当时德国科学家史瓦西得出了第一个黑洞的数学描述。但是在随后的将近半个世纪,更多的对黑洞的研究相对于我们今天的黑洞研究只是停留在一个概念上。

  在上个世纪1967年,惠勒教授第一次提出黑洞这个词,也就是差不多50年前我们才有了黑洞这个术语。这个黑洞是非常致密的天体引力塌缩的结果。我们知道恒星有生也有死,但恒星死亡有不同的结局,一种叫白矮星,另外一种中子星,还有一种如果它的恒星的质量是5-8个太阳质量甚至更大的时候,它可能最终的宿命就是一个黑洞。但是另外一个我今天要说的黑洞就是百万太阳质量级的,刚才我们嘉宾主持武向平院士提到了,就是存在于星系中心的超大质量黑洞的存在。所以黑洞非常简单,待会儿苟利军研究员会提到它有自旋,它会转。

  那我这里只用一个量,就是它的质量,我们不去谈这里的一些物理参数,如光速、引力常数等,黑洞的大小就可以用它的质量代表。对于一个太阳质量的黑洞的引力半径,只有1.5公里,所以假想我们的地球如果变成一个黑洞,其直径大小不到2厘米,整个地球全部压缩在这样个空间里。因为黑洞周围强引力的效应,使它周边的光线,电磁波辐射,在靠近黑洞周边就出不来,这也就是在图上看到的相对比较暗的区域。

  但是问题来了,是不是所有的星系中都有一个黑洞,就是大质量黑洞。实际上现在答案几乎都是有的。但怎么去找?其实差不多也是在50年前,在上个世纪60年代发现了一种叫做类星体的天体,用中文翻译就是像一颗恒星一样的天体,其实它不是恒星,它能量超大,当时为了解释它为什么那么亮,它能量来自哪里,Lynden-Bell和Rees,他们现在是国际上非常著名的天文学家,在这篇文章中就用了黑洞这个概念,认为可能是来自于黑洞的吸积。当时这是理论学家的探索,我们说眼见为实,我们希望回答这样的黑洞到底有没有,到哪儿去找。这篇文章非常经典,它在最后列出了一个可以检验黑洞存在的观测清单。他们说有可能仔我们的银河系中心,看到一个大概在0.5流量单位大小尺寸不到一个毫角秒的射电辐射天体,这是1971年发表的文章。

  在这之后天文学家开始大量的寻找观测,在这之前我先说一下什么是射电天文,射电天文是美国贝尔实验室工程师央斯基在寻找影响美国到欧洲大陆的无线电通信干扰原因,结果他发现这个干扰信号怎么也去不掉,既不来自于地球,也不来自于太阳系,而是来自于宇宙。该发现于1933年正式发表,由此标志着射电天文的诞生,到现在不到百年的历史。这张照片是央斯基当时用的设备,这是后来复制的一个设备。射电跟光学、伽玛射线等都是电磁波,但射电频率覆盖非常宽,可见光很窄,然后利用刚才说的甚长基线干涉技术(VLBI)观测可以达到非常高的空间分辨能力,它是哈勃空间望远镜的500倍。另外射电天文往往是探测早期的冷暗宇宙。红移z代表距离,在近空间哈勃望远镜看的比我们清楚,但到远的,光学波段基本看不到,射电波段则能看到更多。所以射电波段对我们来说非常重要,我们说上个世纪60年代的四大天文发现,类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射均来自射电天文观测,而在这四大发现里面,除了类星体,都拿了诺贝尔奖。迄今为止,13项授予天文学奖的诺贝尔物理奖中有6项是射电天文学的成果。可以看出射电天文在短短不到百年的历史对我们人类观测宇宙认识宇宙起的作用。而且在射电天文之前我们人类用眼睛感知到光学观测,射电天文打开了我们用整个电磁波观测。目前国际最大地面天文项目ALMA和SKA都工作在射电波段。

  与光学望远镜同样的道理,射电望远镜的口径越大,看的越清晰,越能分辨出细节。按照我们专业的术语,分辨物体的本领是观测波长除上你的口径大小,所以口径越大能观测到的细节越清楚,波长越短观测的细节越清楚。现在我们知道贵州的500米天眼,它可能是最大的单口径望远镜的终结者,不可能做的比它更大了,但怎么去扩大我们的分辨本领呢?通过VLBI技术,将两个没有物理连接的望远镜,通过非常准确的信号记录,在后期做相关处理,等效实现了虚拟的望远镜口径等同于基线的长度。所以你可以想象,放在地球上最大能达到地球直径的尺度,甚至可以放在空间,达到更高分辨率的观测,这是VLBI技术的优势。

(责任编辑:东莞网)

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