首张银河系中心黑洞照片背后：科学家耗费数十年研究

 

袁峰在科普讲座上向公众解说宇宙“甜甜圈”。受访者供图

 

中国科学院上海天文台研究员袁峰算是和“甜甜圈”结下一生的缘分了——5月16日，由他参与的事件视界望远镜项目（EHT）拍摄到了首张银河系中心超大质量黑洞“人马座A*”的第一张写真照片——一个巨大的宇宙“甜甜圈”。

 

这张写真，来自2.7万光年之外的银河系中心。中国大陆有16位研究人员参与了这项工作，袁峰是其中之一。

 

从1994年攻读天体物理学博士至今，袁峰已经在与“甜甜圈”们打交道的路上坚持了28年。5月的这张照片，其实是EHT团队第二次拍到的黑洞写真。第一次发布黑洞照片是在2019年4月。那时，EHT组织宣布得到了第一张黑洞M87的照片。该照片的中心是一个近似圆形的黑暗区域，该区域被一个发光的亮环保卫，酷似一个金色的“甜甜圈”。

 

很多人不明白，既然科学家早在2019年就已经拍到了黑洞写真，为何还要在2022年再拍一次呢？科学家想要证明什么问题呢？

 

袁峰告诉中青报·中青网记者，实际上，一张张“甜甜圈”黑洞写真，看似雷同，但它们都有其在不同假设环境中的重要价值。

 

“我们拍到的照片，准确来说，不是黑洞本身，而是黑洞周围的吸积流。这些吸积流被一个强大的中心引力吸引，而这个引力就来自黑洞。”袁峰说，“甜甜圈”外圈那个闪闪发光的金色圆环，实际上就是吸积流，吸积流气体在黑洞引力作用下向黑洞下落，下落过程中它们变热、进而发出强烈的辐射，照片中看到的明亮光环，就是这些非常热的气体发出的辐射。

 

天体物理学家纳拉扬等人的研究发现，宇宙中存在两种吸积流，一种是“正常”吸积流，另一种是“疯狂”吸积流，前者磁场较弱，后者磁场很强。除了磁场外，两种吸积流其他方面也存在很大不同，而且还决定了黑洞喷流的形成。

 

袁峰告诉记者，黑洞写真拍摄的一个重要价值在于其在强引力场环境下“检验了爱因斯坦的广义相对论”。广义相对论是描述物质间引力相互作用的理论，由阿尔伯特·爱因斯坦于1915年完成，1916年正式发表。这一理论首次把引力场等效成时空的弯曲。

 

他介绍，100年前也有科学家对广义相对论进行过检验，但当时都是在弱引力场环境下进行的检验，而在弱场下，广义相对论与牛顿力学两种理论的差别不大。只有在强引力场的环境下，两者才能出现较为明显的差别。

 

黑洞，正是那个用来检验广义相对论的、合适的强引力场。

 

“广义相对论和量子力学理论是目前物理学界最牛的理论，是现代物理学最重要的基础。”袁峰说，以人们日常使用的卫星导航系统为例，它也需要依靠广义相对论，工程人员在这一理论基础上，把“导航”变成了现实，“举个例子，用牛顿力学理论做导航的话，误差可能是1-2公里，而要精准定位，一定要依靠广义相对论。”

 

如今科学家拍摄到的黑洞照片，与基于100多年前的广义相对论计算出来的“黑洞模型照片”是相符合的，说明广义相对论通过了这次检验。

 

袁峰不是EHT项目中的“拍照人”，而是该项目中解释“为什么拍照”的理论研究者之一。

 

“吸积流被吸进去的过程中，产生了很多有趣的现象。”他介绍，黑洞本身不会发光，要找到黑洞，最重要的就是找到其周围的吸积流气体，“根据我们的计算预测，真正的黑洞比这幅‘甜甜圈’图片中的黑色部分要小一些。”

 

袁峰所说的“计算”，是求解一个复杂的黑洞吸积流方程组。这个方程的复杂程度，远超出一般人的想象。这个方程组从20世纪60年代开始就被科学家关注，每解出这个方程的一小步，都值得发表一篇高水平学术论文。20世纪90年代，袁峰在哈佛大学的博士后导师纳拉扬发现了该方程的一个创新性解，为人们理解宇宙中的黑洞迈出了重要一步，他本人因此当选美国科学院院士。

 

“我当时写了一篇还算不错的论文，在一次韩国举办的国际会议上作了报告。”袁峰告诉记者，“导师后来告诉我，那次听到我的报告，就想好要给我留一个博士后位子了。”

 

2002年到哈佛大学报到后，负责接待的天文系秘书在见到袁峰后说：“我早就想见到你了！有几百人申请了教授的博士后位置，我想知道他把这个位置留给了一个什么样的人。”

 

出乎这位知名教授意料的是，10年后的2012年，他最青睐的博士后袁峰通过理论分析和大规模数值模拟，首次论证了吸积流中确实存在很强的外流，从而推翻了他在1999年提出的著名的吸积流“对流”理论。直到2014年，纳拉杨才在与袁峰的多次探讨中，接受了他的最新研究成果。

 

2005年，有着德国马普射电天文研究所、美国哈佛大学和普渡大学博士后工作经历的袁峰，决定回国。“就是喜欢中国的文化和环境，国外的环境再好也不是为中国人设计的，在那里没有归属感和认同感。”袁峰说。

 

这种归属感和认同感，就包括向中国大众科普天文知识、天体物理知识。

 

“全国只有十几所大学有天文系，而美国排名前100的大学，几乎家家都有天文系。这个看似无用的学科，却是最重要的基础学科之一。我想在更多学生心目中种下仰望星辰大海的种子。”袁峰说，中国快速发展至今，是时候要加强各个学科的基础研究了，“基础研究对国家长远发展意义重大。”

 

他也希望这张漂亮的“甜甜圈”照片，能成为青少年朋友们“遵循兴趣、保持好奇心”的“诱饵”，“希望我们的孩子们未来选择学习、工作方向时，都能遵循自己原本的兴趣，保持对大自然的好奇。”

 

之所以选择天体物理，也是袁峰本人的兴趣所在。读硕士期间，他曾一度从理论物理专业换到量子化学专业，但3年读研时间里，他发现自己对广义相对论的兴趣与日俱增，“我觉得广义相对论很优美，很喜欢，所以我报考了中科大的天体物理专业博士，从此一直在研究天体物理。” （记者 王烨捷）