“科技耀京城”系列讲座丨苟利军：黑洞的探索之路

科技耀京城

系列讲座

“科技耀京城”系列讲座是由北京市科学技术协会主办，北京青年报社承办的科学文化传播活动。每场活动会走进一家书店，邀请一位科学界专家学者，介绍一个前沿科学领域，展现一项国家科技成就，完成一次科学精神的传递。

黑洞是宇宙中最神秘的天体，拥有极强的引力，连光都无法逃脱其束缚。 随着科技的进步，人类对黑洞的探索逐步深入。 本次讲座我们邀请了中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授苟利军，带领观众探索黑洞之谜。

苟利军，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授，《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。美国宾夕法尼亚州州立大学博士，在哈佛史密森天体物理中心任博士后和研究人员。主要研究方向为高能天体物理，包括黑洞及引力波。在Science等期刊发表SCI论文60余篇。2020年被授予“中国航天科普大使”称号。先后获得中国侨界个人贡献奖、国家图书馆“文津奖”、国家优秀科普图书奖、中国科教影视“科蕾杯”短视频一等奖，以及中国科学院多个科普奖项。曾担任《流浪地球2》天文学顾问。

今年3月，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布一张新的黑洞照片。这是人类首次看到的隐藏在银河系中心的超大质量黑洞——人马座A星在偏振光下的图像。

仰望星空，人们探索宇宙的脚步从未停止。 从20世纪早期黑洞概念的提出，到近年来终于从理论和观测两个层面上证明了黑洞的存在，这些都是一代又一代科学家们孜孜不倦探索的成果。 究竟什么是黑洞？ 它是怎么形成的？ 人类是如何发现黑洞的？ 中国在探索黑洞方面的进展如何？ 讲座还未开始，便有观众拿着书在座位上静静等待。 还有5分钟开讲的时候，台下已座无虚席，许多没有“占”到座位但非常感兴趣的观众选择坐在讲台一侧的公共区域静静聆听。

苟利军从他与《星际穿越》的缘分说起，论及黑洞的结构、特点与人类探测进展。

《星际穿越》与黑洞有什么关联？

2012年，我在中国科学院国家天文台做黑洞方面的一些研究，2019年，开始负责《中国国家天文》杂志。在2014年的时候，有一部电影相当受大家喜爱，时至今日依旧是非常经典的科幻影片，那就是《星际穿越》。这部电影当中涉及了非常多的天文学的名词，或者说不仅仅是天文学的名词，甚至是物理学的一些名词，比如说在这部电影当中涉及的当时还未被发现的引力波。电影上映之后一年多，引力波就被宣布探测到了。除此之外，它提到了非常大质量的这种黑洞，我们叫做超大质量的黑洞，还有虫洞等非常多且专业的天文学概念。所以《星际穿越》请了一位非常厉害的科学顾问，那就是基普·索恩，他的特长就是在研究引力波和黑洞方面。

当电影中黑洞的模样第一次出现在基普·索恩眼前的时候，他流下了激动的泪水。这部电影上映的时候，激励了一大批的天文爱好者。2014年，我从事天文学研究已经非常长的时间了，但当我在电影院第一次看到黑洞能量的时候，我也流下了激动的眼泪。

基普·索恩不仅仅参与了这部电影，他还写下了这部电影中相关天文现象的解释，并出了一本书。后来我和我的同事把这本书翻译成了中文，为了大家方便记忆，依旧取名《星际穿越》。

2014年我们在电影当中所看到的黑洞，其实是通过大量计算所得到的，而2019年我们看到的黑洞照片是我们首次真实拍摄得到的，因此这张照片意义非凡。

黑洞最像中国哪个神兽？

黑洞简单而言是连光都逃脱不出去的一种天体。如果我们去看黑洞的时候，它从各个方向去看其实都是一样的，所以它应该是一个黑色的球体。有一幅漫画讲述了命名黑洞的过程。一个人说东西掉进去以后就像一个无底洞一般，所以就称之为黑洞了。

关于黑洞大家有许多猜想，如果有东西掉进黑洞后，具体掉到了中心还是掉到了另外连接着的一个通道？其实我们现在并不清楚。黑洞和中国的一个神兽非常类似，那就是貔貅。我们知道如果给貔貅嘴里放进金银财宝的话，就会被吃掉，不吐出来了。黑洞也是如此，任何的东西，包括速度最快的光线，一旦掉进黑洞都逃不出来，只进不出。

黑洞主要由什么构成？

黑洞的最外层就是黑洞的事件视界，任何距离黑洞中心不到这个距离的物质或能量都无法逃脱黑洞的引力。因为黑洞里边的逃逸速度大于光速，所以我们是没有办法看到黑洞的里面的。假如在星际穿越当中，一名宇航员掉进了黑洞里面，他试图弄清楚里面有什么，想要跟外界进行对话，是不可能做到的。吸积盘，这是黑洞周围绕着的物质圆盘，由气体、尘埃或恒星等组成。当这些物质被黑洞吸引，它们会形成一个被称为吸积盘的结构。吸积盘是非常热且亮的，在吞噬物质的过程中，会释放出大量的能量，如强烈的X射线和伽马射线。黑洞的另一个结构叫做中心奇点，奇点就是黑洞质量所聚集的地方，是一个非常小的东西。一个太阳质量对我们来说是非常大的，但它的视界面大约是在三公里左右的地方。奇点大约只有几米，所以奇点相比较视界面是一块更小的区域。除此之外，黑洞半径的大小，我们称之为史瓦西半径，定义了视界面的位置。之所以叫做史瓦西半径是为了纪念德国的物理学家卡尔·史瓦西，是他首次发现了史瓦西半径的存在。

用哪三个物理量描述黑洞？

到目前为止，我们认为黑洞是宇宙当中最为简单的一类天体，相比较于其他恒星或者其他的天体而言，黑洞只需要质量、角动量、电荷三个物理量就可以，从而产生了无毛定理，即在广义相对论的框架下，除了质量、角动量、电荷之外，静态黑洞不再具有其他物理性质。所以，只需要知道这三个物理量就可以完整地去描述一个黑洞了。

我们如何发现黑洞？

一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。

恒星演化所产生的恒星级的黑洞或者中等质量的黑洞以及超大质量的黑洞都特别晚，恒星级黑洞和中等质量的黑洞，它之间的这种界限是100倍的太阳质量，如果低于100倍，我们称之为恒星面积的黑洞，中等质量的黑洞就是介于100倍的太阳质量到100万倍的太阳质量之间，100万倍以上的我们称之为超大质量的黑洞。

到目前为止，通过电磁波，或是我们的眼睛，只能看到恒星量级的黑洞和超大质量的黑洞，中等质量的黑洞到目前为止还没有通过电磁波的这种方式探测到它。能够被观测到的黑洞都有一个喷发的物质，也就是说黑洞本身我们是很难看到的，但是如果黑洞周围有东西的时候，它能够产生一些这种效应，我们就能够看到黑洞周围有转动的这种圆盘以及喷射出来的这种物质，这时候我们就可以看到这种黑洞。假如周围没有喷发的物质，我们是不能够看到黑洞的。

为何许多黑洞未被探测到？

按照我们现在的预测，银河系当中应该存在着1亿个左右的这种黑洞，但目前我们探测到的黑洞大约有100个左右。1亿和100个之间，我们发现的仅仅是银河系当中的冰山一角，还是有非常多的这种黑洞没有被探测到。最主要的一个原因是黑洞本身不发光，只有黑洞周围存在气体并且发光的时候，我们才能够间接推断出黑洞的存在。

中国探索黑洞的进展如何？

从上个世纪60年代起，我们就利用不同的X射线望远镜来进行探测，现在中国拥有了自己的X射线望远镜。在2017年6月，我们发射了HXMT慧眼卫星，2020年发射了GECAM，今年发射了爱因斯坦探针卫星，并计划在明年发射SVOM太空望远镜，这些都是可以对黑洞做一番研究的。如果大家对黑洞感兴趣的话，在这里推荐一本书叫做《黑洞之影》，能够帮助大家对今天讲座的内容进行更加详细的展示与说明。

愿我们的科学更好，愿我们的未来更好！

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来源：北京青年报

整理：王珮力

摄影：李娜