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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點(diǎn),為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國家創(chuàng)新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【解放日報(bào)】宇宙中有多少黑洞?黑洞會消亡嗎?

2019-04-11 解放日報(bào) 黃海華
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語音播報(bào)

  昨天晚上,首張黑洞照片問世。比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓六地共同發(fā)布這一重大成果。

  黑洞會消亡嗎?黑洞附近的時(shí)間會變慢嗎?中科院國家天文臺茍利軍研究員接受了記者的專訪。

  為何一個世紀(jì)沒拍到黑洞

  “大家不要忘了,我們的肉眼是看不見太赫茲波段的,因此黑洞的照片可能是灰度圖像,也可能是假色圖片?!逼埨娊榻B,黑洞“照片”與傳統(tǒng)意義的照片還是很不一樣的,普通照片拍攝的是可見光波段,而此次事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的是太赫茲波段,也就是亞毫米波段。

  為何長達(dá)一個世紀(jì)都沒能拍到黑洞照片?“這是因?yàn)樾枰裙胀h(yuǎn)鏡還高出2000倍分辨率的望遠(yuǎn)鏡,而之前的望遠(yuǎn)鏡沒能做到。這次位于南極、智利、墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、西班牙的8臺亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對黑洞展開觀測,利用甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI),相當(dāng)于構(gòu)建成一個口徑等同于地球直徑(1萬多公里)的望遠(yuǎn)鏡。

  從2017年4月5日至14日,事件視界望遠(yuǎn)鏡對銀河系中心和星系M87(距離地球5500萬光年)中央的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行拍攝。這兩個黑洞的視大小是目前發(fā)現(xiàn)的黑洞中最大的兩個,在分辨率有限的情況下,越大越容易看到細(xì)節(jié)?!坝捎诘厍蛎刻於紘栟D(zhuǎn),因此拍攝位置特別講究,只有運(yùn)行到某些地方,才能保證8個望遠(yuǎn)鏡同時(shí)能看到黑洞,因此最佳時(shí)機(jī)在2017年只有這10天。”

  中國有兩個亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡,一個在青海德令哈,另一個在西藏羊八井,但由于我國地處美洲的背面,難以和其他望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測,因此中國大陸的望遠(yuǎn)鏡并沒有參與直接觀測。

  至今還沒觀察到死亡的黑洞

  還記得電影《星際穿越》中黑洞的樣子嗎?像一頂草帽,水平方向有個吸積盤,黑洞上下也有兩個圓環(huán)?!熬拖窈J序讟?,這只是看上去的視覺效果,實(shí)際并非如此,這是黑洞的引力透鏡效應(yīng),或者說是時(shí)空彎曲效應(yīng)。”茍利軍說。

  當(dāng)我們靠近黑洞時(shí),相比于那些遠(yuǎn)離黑洞的人,我們的時(shí)間流逝得更慢。這也可以算是時(shí)空彎曲效應(yīng),不過只是一種相對效應(yīng)。靠近黑洞時(shí),每一個衡量“一秒鐘”的尺度被拉長了,也就是說,在這個坐標(biāo)系下,時(shí)間是被拉長的。

  黑洞會消亡嗎?茍利軍說,在傳統(tǒng)的廣義相對論中,黑洞產(chǎn)生后不會再發(fā)生變化,可以永遠(yuǎn)存在下去。但如果把量子力學(xué)的不確定性,引入事件視界中,一些質(zhì)量較小的黑洞會產(chǎn)生霍金輻射,因而也會死亡,并在消亡時(shí)產(chǎn)生大量伽馬射線。但霍金輻射對于超大質(zhì)量黑洞影響很小,這類黑洞并不會消亡。據(jù)介紹,科學(xué)家至今還沒觀察到死亡的黑洞。

  銀河系恒星級黑洞超1億個

  黑洞的近代概念,來源于愛因斯坦1915年提出的廣義相對論。通過愛因斯坦場方程,可以直接推導(dǎo)出某些大質(zhì)量恒星會終結(jié)為一個黑洞。“黑洞相當(dāng)于愛因斯坦場方程的一個極端的解,不過就連愛因斯坦也不敢相信黑洞真實(shí)存在?!?/p>

  愛因斯坦場方程在最初發(fā)布時(shí)只有近似解,當(dāng)時(shí)的德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西在一戰(zhàn)前線,得到了非旋轉(zhuǎn)黑洞的精確理論解,這是第一個有關(guān)愛因斯坦場方程的精確解。與此同時(shí),史瓦西還給出了黑洞的半徑大小,在這個半徑范圍以內(nèi),任何物質(zhì)和輻射都不會溢出,后人將此距離稱為史瓦西半徑,并把史瓦西半徑處的想象中的球面叫作事件視界?!霸谑吠呶骺磥?,一個人如果掉進(jìn)事件視界,是無法發(fā)射無線電光信號的,因?yàn)楣庖矡o法逃逸出去?!?/p>

  上世紀(jì)三十年代,美國的“原子彈之父”奧本海默研究發(fā)現(xiàn):恒星在一定環(huán)境之下可以坍縮形成黑洞,并從理論上證實(shí)了黑洞的質(zhì)量下限。

  1963年,旋轉(zhuǎn)黑洞精確解這一難題被愛爾蘭的數(shù)學(xué)家羅伊·科爾所攻破。

  1964年,美國科學(xué)家利用探空火箭在天鵝座區(qū)域偶然發(fā)現(xiàn)了一個非常明亮的X射線天體,天文學(xué)家將此天體命名為天鵝座X-1,這是人類歷史上第一個黑洞候選體。

  核物理學(xué)家約翰·惠勒于1967年提出“黑洞”這個名稱,有趣的是,“蟲洞”這個名稱也是由他提出的。

  霍金在上世紀(jì)七十年代首先提出黑洞的熱力學(xué)定律,之后又發(fā)現(xiàn)“霍金輻射”,他認(rèn)為光線會從黑洞中逃脫,黑洞的質(zhì)量因此也會逐漸變小,從而消失。

  2016年2月11日,激光干涉引力波天文臺宣布,他們通過引力波信號,探測到了兩個黑洞合并。這為黑洞的存在提供了第一個具體證據(jù)。

  宇宙中到底存在著多少黑洞?在引力波被直接探測到后,科學(xué)家們估算,質(zhì)量小于100個太陽質(zhì)量的恒星級黑洞在我們銀河系當(dāng)中就應(yīng)該多于1億個。而我們整個宇宙還有至少上千億個類似我們銀河系的星系。與此同時(shí),幾乎在每一個星系中心還存在著一個超大質(zhì)量的黑洞呢。

 ?。ㄔd于《解放日報(bào)》 2019-04-11 05版)

打印 責(zé)任編輯:侯茜

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