黑洞研究到了哪一步？
2019年4月10日，在智利圣地亞哥，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，發(fā)布他們拍到的第一張黑洞照片
文/楊雋?茍利軍
編輯/吳美娜
黑洞一直是天文研究的熱門話題之一，2023年，預(yù)印本網(wǎng)站arXiv發(fā)布了約700篇有關(guān)黑洞的研究成果。進(jìn)入2024年，有關(guān)黑洞研究的最新進(jìn)展接連出現(xiàn)，人類對(duì)黑洞的探索似乎進(jìn)入一個(gè)快車道。
但這一領(lǐng)域取得突破性成果非常困難。那么，有關(guān)黑洞的研究，難在哪里？最新的科學(xué)進(jìn)展是什么？它們將如何改變我們對(duì)宇宙的基本認(rèn)知？
看不見(jiàn)的神秘天體
黑洞的核心特征之一是它們的不可見(jiàn)性。由于黑洞自身并不發(fā)射或反射任何形式的電磁輻射，因此無(wú)法通過(guò)常規(guī)的電磁波探測(cè)手段進(jìn)行直接成像觀測(cè)。這一現(xiàn)象源于黑洞極端的引力強(qiáng)度，以至于連光子也無(wú)法逃離其視界。
盡管如此，由于黑洞周圍環(huán)境會(huì)受到引力場(chǎng)的顯著影響，黑洞由此能被間接探測(cè)到。黑洞利用其強(qiáng)大的引力吸引周圍的氣體、塵埃等物質(zhì)，使其聚集并形成吸積盤結(jié)構(gòu)。在這個(gè)吸積盤中，物質(zhì)逐漸靠攏黑洞，伴隨著大量的引力勢(shì)能的釋放，將會(huì)產(chǎn)生高能輻射。
根據(jù)黑洞質(zhì)量，黑洞通常可分為三大類：恒星質(zhì)量黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星質(zhì)量黑洞通常由大質(zhì)量恒星晚期坍縮形成，質(zhì)量范圍在幾個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量至幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量不等；恒星質(zhì)量黑洞通過(guò)合并然后再通過(guò)吸積就可以形成中等質(zhì)量黑洞；而超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量通常為一百萬(wàn)至數(shù)十億倍太陽(yáng)質(zhì)量，有可能是氣體直接坍縮形成幾萬(wàn)或者幾十萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞，也可能是通過(guò)恒星質(zhì)量黑洞合并成中等質(zhì)量黑洞，然后再通過(guò)吸積氣體形成超大質(zhì)量黑洞。
通過(guò)電磁波方式，目前已經(jīng)探測(cè)到恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞；對(duì)于中等質(zhì)量黑洞，缺少電磁波觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持。不過(guò)，隨著引力波探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)中等質(zhì)量黑洞的研究迎來(lái)了新的曙光。
引力波探測(cè)進(jìn)展
2015年9月14日，人類首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)引力波的直接探測(cè)，這一里程碑式的突破開(kāi)啟了天文學(xué)研究的多信使時(shí)代。分析結(jié)果顯示，探測(cè)到的引力波信號(hào)源自距離地球約13億光年的一次雙黑洞并合事件，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量均接近30倍太陽(yáng)質(zhì)量。這次探測(cè)由美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）完成，該團(tuán)隊(duì)核心成員于2017年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
2019年5月21日，LIGO又取得一項(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，成功探測(cè)到了一個(gè)雙黑洞并合事件，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為85倍和66倍太陽(yáng)質(zhì)量，最終形成了一個(gè)約為142倍太陽(yáng)質(zhì)量的新黑洞。這次探測(cè)不僅明確證實(shí)了中等質(zhì)量黑洞的存在，也充分展示了引力波探測(cè)搜尋此類黑洞的強(qiáng)大潛力。
截至2024年1月底，引力波觀測(cè)合作組織順利完成了第四階段探測(cè)任務(wù)上半段的工作。人類探測(cè)到的引力波事件目前已超過(guò)200個(gè)。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)極大豐富了我們對(duì)黑洞的認(rèn)知。
引力波頻譜涵蓋廣泛，納赫茲引力波位于這一頻譜的低頻區(qū)域，波長(zhǎng)達(dá)到數(shù)光年，這使得對(duì)其進(jìn)行探測(cè)非常具有挑戰(zhàn)性。目前，脈沖星測(cè)時(shí)陣列是利用孤立毫秒脈沖星來(lái)探測(cè)納赫茲引力波的有效方式。毫秒脈沖星信號(hào)具有極強(qiáng)的周期性，當(dāng)有引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)對(duì)脈沖星的信號(hào)到達(dá)時(shí)間產(chǎn)生擾動(dòng)。
中國(guó)脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)利用“中國(guó)天眼”FAST對(duì)57顆毫秒脈沖星持續(xù)三年多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，成功找尋到了納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)，其置信度達(dá)到了4.6σ（誤報(bào)率低至五十萬(wàn)分之一）。這項(xiàng)關(guān)于納赫茲引力波的重要突破被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)選為2023年度十大科學(xué)進(jìn)展之一，標(biāo)志著中國(guó)在納赫茲引力波探測(cè)領(lǐng)域的研究取得世界領(lǐng)先的成就。
2023年7月26日拍攝的“中國(guó)天眼”全景（維護(hù)保養(yǎng)期間無(wú)人機(jī)拍攝）
相較地面探測(cè)引力波的裝置，歐洲空間局（ESA）提出了空間激光干涉儀（LISA）計(jì)劃。預(yù)計(jì)在2030年代中期，LISA任務(wù)將發(fā)射三顆衛(wèi)星進(jìn)入太空，形成一個(gè)邊長(zhǎng)達(dá)250萬(wàn)公里的巨大等邊三角形陣列。非常類似于LISA項(xiàng)目，中國(guó)也有“天琴計(jì)劃”和“太極計(jì)劃”，但邊長(zhǎng)稍有差別。這些空間裝置都是利用激光干涉原理，通過(guò)精確測(cè)量因引力波經(jīng)過(guò)而引起的微小距離變化，有望測(cè)量振幅、方向及偏振等關(guān)鍵信息，進(jìn)而探測(cè)到超大質(zhì)量黑洞并合事件、銀河系內(nèi)部超致密雙星系統(tǒng)、極端質(zhì)量比雙星旋進(jìn)等現(xiàn)象。這些計(jì)劃無(wú)疑將進(jìn)一步拓寬我們對(duì)黑洞的理解。
黑洞影像新進(jìn)展
對(duì)黑洞直接成像也是一種前沿的黑洞研究手段。2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）組織公布了首張黑洞影像，即位于M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞影像。
2023年4月，研究團(tuán)隊(duì)利用主成分干涉建模算法（PRIMO），發(fā)布了重建后的M87黑洞照片，相比之下，黑洞周圍的吸積盤變得更為纖細(xì)，使照片分辨率得到顯著提升，這對(duì)精確測(cè)定黑洞的質(zhì)量具有關(guān)鍵作用。
這之后不久，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究人員及其團(tuán)隊(duì)發(fā)布了他們基于M87黑洞照片的全景照。他們基于2018年EHT于3.5毫米波長(zhǎng)對(duì)M87黑洞進(jìn)行的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步解析了M87黑洞的特征結(jié)構(gòu)，對(duì)其陰影、吸積盤和相對(duì)論性噴流進(jìn)行詳細(xì)成像，繪制出一幅黑洞“全景照”，揭示了M87致密射電核心的清晰圖像，這項(xiàng)成果于2023年4月發(fā)表在英國(guó)《自然》雜志上。該圖像展示了一個(gè)直徑為8.4倍史瓦西半徑的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其尺寸比先前1.3毫米波長(zhǎng)下觀測(cè)到的環(huán)增大了約50%，并清晰顯示了環(huán)的外緣部分。
今年1月，EHT組織發(fā)布了M87黑洞的最新照片，這張照片是基于2018年EHT于1.3毫米的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的。這張新照片顯示的明亮光環(huán)與初次發(fā)布的照片相似，其直徑測(cè)量結(jié)果高度一致，這與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的該黑洞視界尺度在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)恒定相吻合。不過(guò)，圖片中最亮的區(qū)域旋轉(zhuǎn)了約30度，這一現(xiàn)象證實(shí)了黑洞周圍湍動(dòng)物質(zhì)的可變性，且與廣義相對(duì)論磁流體動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)期相符。在EHT基礎(chǔ)上，研究人員正在推進(jìn)下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡（ngEHT）項(xiàng)目的建設(shè)。
最遠(yuǎn)黑洞紀(jì)錄不斷刷新
隨著韋布空間望遠(yuǎn)鏡不斷帶來(lái)新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得以發(fā)現(xiàn)越來(lái)越遙遠(yuǎn)的黑洞。2023年3月，韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了當(dāng)時(shí)已知最遠(yuǎn)的黑洞——CEERS 1019，質(zhì)量為1000萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量，位于宇宙大爆炸之后約5.7億年。而僅僅半年后紀(jì)錄就被刷新，名為UHZ1的黑洞躍居為觀測(cè)史上最遙遠(yuǎn)的黑洞，它形成于宇宙大爆炸后約4.7億年，擁有4000萬(wàn)倍太陽(yáng)的質(zhì)量。今年1月，關(guān)于最遠(yuǎn)黑洞的探測(cè)紀(jì)錄再度被改寫。
2016年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡捕捉到了一個(gè)極其古老且遙遠(yuǎn)的星系GN-z11。該星系的紅移值高達(dá)11.1（紅移值越大，表示天體離我們?cè)竭h(yuǎn)。在此之前，人類能看到的最遠(yuǎn)星系距離我們132億光年，其紅移值為8.68），處于宇宙大爆炸后僅約4億年的時(shí)間點(diǎn)。
借助于韋布空間望遠(yuǎn)鏡提供的更為詳盡的數(shù)據(jù)，今年1月，利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)GN-z11展開(kāi)了新一輪研究。通過(guò)對(duì)GN-z11光譜特征進(jìn)行精細(xì)分析，他們發(fā)現(xiàn)了活動(dòng)星系核的寬線區(qū)特征，有力證明了GN-z11核心區(qū)域內(nèi)存在著一個(gè)十分活躍的吸積黑洞。分析得出，該黑洞的質(zhì)量約為160萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量，并以大約5倍愛(ài)丁頓吸積率高效運(yùn)作。這個(gè)超大質(zhì)量黑洞處于宇宙歷史的極早期階段，對(duì)它的研究有助于我們理解宇宙的早期演化和超大質(zhì)量黑洞的快速形成機(jī)制。
愛(ài)因斯坦探針升空
由于黑洞周圍的物質(zhì)能夠發(fā)射出強(qiáng)烈的X射線輻射，X射線探測(cè)衛(wèi)星成為了觀測(cè)黑洞的關(guān)鍵工具。今年1月，在印度發(fā)射該國(guó)首顆用于研究黑洞的科學(xué)衛(wèi)星X射線偏振計(jì)衛(wèi)星（XPoSat）后不久，中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合歐洲空間局和德國(guó)馬普地外物理研究所共同研制的愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星（EP），在中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。
EP衛(wèi)星荷載由大視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT）與后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（FXT）組成。前者視場(chǎng)可達(dá)3600平方度，用于全天候監(jiān)測(cè)天空中的X射線源，有利于捕捉到新的暫現(xiàn)源；后者具有更高的空間分辨率，能夠更深入地研究這些源的物理特性。
2021年3月24日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員介紹黑洞的相關(guān)知識(shí)
EP衛(wèi)星的主要觀測(cè)波段集中在軟X射線區(qū)域（0.5～4keV），黑洞研究是其科學(xué)目標(biāo)之一。預(yù)計(jì)在至少三年的任務(wù)期內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生諸多重要成果：發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)星系中心的寧?kù)o黑洞；給出星系中心含有超大質(zhì)量黑洞的比例；發(fā)現(xiàn)中等質(zhì)量黑洞和大質(zhì)量雙黑洞的觀測(cè)證據(jù)；發(fā)現(xiàn)各種類型的黑洞潮汐瓦解事件；揭示噴流產(chǎn)生的條件及機(jī)制等等。EP衛(wèi)星的成功運(yùn)行，將有力推動(dòng)天文學(xué)的前沿發(fā)展。
黑洞研究?jī)r(jià)值不可替代
黑洞是宇宙中最為奇特和極端的物理環(huán)境，對(duì)檢驗(yàn)基礎(chǔ)物理學(xué)理論、理解星系形成與演化等具有不可替代的價(jià)值。
黑洞是驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的理想實(shí)驗(yàn)室。這一理論預(yù)測(cè)了當(dāng)物質(zhì)高度集中時(shí)，引力將導(dǎo)致空間時(shí)間發(fā)生極度扭曲，形成一個(gè)連光都無(wú)法逃脫的區(qū)域，即黑洞。黑洞附近的強(qiáng)引力效應(yīng)，為科學(xué)家提供了在強(qiáng)引力場(chǎng)下測(cè)試廣義相對(duì)論的機(jī)會(huì)。
幾乎所有星系的核心位置都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，通過(guò)吸積周圍氣體等物質(zhì)，黑洞將釋放出巨大能量，發(fā)射高能射線、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的噴流結(jié)構(gòu)。這些活動(dòng)不僅影響黑洞附近的環(huán)境，還可能影響整個(gè)星系內(nèi)恒星的形成速率、分布狀況等。因此，研究黑洞的行為，對(duì)理解星系演化具有重要作用。
由于超大質(zhì)量黑洞在吸積周圍物質(zhì)過(guò)程中所釋放的巨大能量，形成了強(qiáng)大輻射和噴流現(xiàn)象，使得我們能夠探測(cè)到宇宙更為深處的隱秘角落。通過(guò)對(duì)黑洞吸積過(guò)程及其影響下類星體光譜特征的精細(xì)研究，科學(xué)家能夠以此實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙中極遠(yuǎn)距離的精準(zhǔn)測(cè)量。這會(huì)深化我們對(duì)宇宙早期狀態(tài)的理解，對(duì)驗(yàn)證宇宙學(xué)模型提供數(shù)據(jù)支撐。
（楊雋系中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文和空間科學(xué)學(xué)院碩士研究生；茍利軍系中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文學(xué)教授）
